Prefactibilidad del proyecto de energías

renovables para la población de Arjona,

Bolívar; utilizando el Software Homer Pro PROYECTO – ENERGÍAS RENOVABLES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

Facultad de Ingeniería – Ingeniería Eléctrica

María Fernanda Rincón cód.: 20111007076

Anderson Jair Velandia cód.: 20102007046

Contenido Perfil del proyecto ...................................................................................................................................................................... 2

Identificación de la población .............................................................................................................................................. 2

Justificación .............................................................................................................................................................................. 2

Demanda objetivo .................................................................................................................................................................. 2

Recursos ................................................................................................................................................................................... 3

Costos....................................................................................................................................................................................... 4

Tabla 8. Costos generación eólica. Fuente: UPME Tabla 7. Costos generación eólica. Fuente: UPME ............................. 6

Simulaciones con el software Homer Pro ............................................................................................................................ 6

Datos ingresados al software .............................................................................................................................................. 6

Información general del proyecto ................................................................................................................................. 6

Carga ..................................................................................................................................................................................... 7

Recursos............................................................................................................................................................................... 7

Componentes implementados al análisis ..................................................................................................................... 9

Resultados de la simulación .................................................................................................................................................... 12

Bibliografía ................................................................................................................................................................................... 14

Perfil del proyecto

Identificación de la población El municipio de Arjona, Bolívar se encuentra ubicado cerca de la ciudad de Cartagena de Indias, su actividad

económica gira entorno a la ganadería, la agricultura y la pesca debido a las facilidades ambientales que se

presentan en la zona. [1]

Tabla 1. Datos principales del municipio de Arjona, Bolívar.

Fuente: Página web de la Alcaldía de Arjona, Bolívar [1]

Ubicación 10°15′18″N 75°20′41″O

Población 72.514 habitantes

Temperatura 28 °C

Altitud 63 msnm

Humedad 84%

Velocidad viento 6 km/h

Figura 1. Ubicación del municipio Arjona, Bolívar. Fuente: Software Homer Pro.

Justificación Es un municipio que cuenta con los servicios de la empresa de energía Electricaribe, con la que se han

presentado diversos problemas relacionados a los cortes de energía, el mantenimiento de las redes, el costo

de la energía; en general, problemas con la prestación del servicio. Por esto, implementar un proyecto de

energías renovables en esta zona, lograría una mejora en la calidad de vida para su población eliminando o

mejorando la seguridad del servicio de energía eléctrica. Además teniendo en cuenta que este es un municipio

con altas temperaturas se hace necesario el uso de sistemas ventilación lo que hace esencial la energía eléctrica

para el bienestar de sus habitantes. Adicionalmente, Arjona se convertiría en un ejemplo para poblaciones

vecinas que a futuro puedan implementar este tipo de tecnologías. [1]

Demanda objetivo Para realizar el análisis de prefactibilidad empleando el software de simulación Homer Pro es necesario

conocer la demanda a satisfacer y, aunque el programa presenta la opción de emplear datos genéricos según

el tipo de carga (Residencial, comercial, industrial); para este caso se usaron los datos de la demanda del

municipio de Arjona proporcionados por XM mediante el Portal BI [2]. Los datos que el software Homer Pro

solicita para crear el perfil de carga, corresponden a la demanda promedio por hora en KWh de cada mes, y

en este caso fueron tomados para el año 2015.

Tabla 2. Demanda promedio por hora en KWh de cada mes para el municipio de Arjona, Bolívar, 2015.

Fuente: Portal BI de la compañía XM [2] Hora ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

0 648,15 648,09 661,09 669,08 391,08 395,39 395,20 391,92 273,99 275,81 255,69 256,21

1 640,89 640,82 655,36 662,18 390,15 396,54 395,61 393,31 273,47 279,29 264,50 262,80

2 633,66 635,99 648,35 656,71 389,01 392,56 394,34 391,45 269,65 276,91 264,18 265,72

3 630,32 637,92 651,00 660,50 388,21 390,93 390,72 385,58 269,53 275,16 256,93 262,63

4 640,71 652,75 663,41 671,23 393,98 398,50 400,13 399,09 282,87 285,74 268,88 268,18

5 637,62 653,82 661,00 667,00 392,53 400,48 398,18 398,79 283,34 286,10 266,30 269,33

6 323,45 337,41 332,04 339,51 93,15 103,18 100,31 99,11 105,02 103,80 89,62 93,51

7 310,22 315,65 318,52 334,63 109,64 122,83 111,78 113,18 118,60 116,68 102,43 105,21

8 315,79 314,72 327,16 333,62 119,05 128,45 123,79 127,74 123,61 133,72 110,21 124,41

9 318,98 326,04 323,98 334,46 128,73 135,60 127,59 136,29 138,26 147,40 116,63 139,33

10 335,44 340,31 329,29 349,31 141,15 143,73 124,98 146,21 144,01 151,22 113,13 148,51

11 357,63 361,54 354,29 372,11 150,66 145,30 126,94 149,65 147,90 152,60 111,28 146,78

12 359,38 360,83 367,98 372,41 156,56 147,87 128,85 151,03 149,30 154,19 108,90 143,16

13 356,43 355,71 363,07 365,06 155,62 152,83 135,48 150,12 149,94 148,84 114,51 147,94

14 357,39 356,88 360,50 361,36 154,64 147,96 136,85 151,51 145,91 146,23 112,29 150,67

15 363,14 365,12 366,96 363,05 144,93 145,85 131,96 146,30 145,09 150,12 111,34 147,21

16 372,94 366,98 369,40 376,04 137,64 144,39 141,35 148,19 147,30 147,36 112,23 143,15

17 402,66 385,29 388,90 398,81 132,50 130,97 143,79 142,87 144,05 144,74 115,37 148,19

18 771,64 774,53 778,92 772,21 445,05 440,43 460,50 452,19 321,54 328,00 299,17 313,11

19 771,27 780,97 801,42 786,67 432,00 423,99 431,42 428,49 279,56 307,56 290,63 282,44

20 760,72 769,75 784,76 781,89 417,46 394,22 399,60 393,53 259,87 295,62 279,28 272,42

21 726,20 737,57 744,49 737,49 395,06 367,39 371,08 369,25 247,76 281,78 264,46 260,63

22 679,03 676,33 688,56 689,15 386,75 369,54 376,99 377,47 249,47 276,01 253,73 250,63

23 655,32 654,57 666,64 670,93 389,08 388,31 388,84 388,91 266,20 276,73 253,98 255,32

Recursos La cuantificación del recurso solar fue consultada en dos fuentes diferentes: el software Meteonorm y la página

web de la NASA “Surface meteorology and solar energy”. [3], [4] A través de estos dos recursos se obtuvieron

datos de radiación global, directa y difusa promedio entre los años 1990 y 2010 para la zona. Adicionalmente

se incluyen los datos de temperatura ambiente. Ahora bien, para la cuantificación del recurso eólico se

consultó el Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia (del cual se obtuvo un rango de la velocidad del

viento para cada mes) y la página web de la NASA en la que se encuentran datos específicos para cada mes.

[4], [5].

Tabla 3. Cuantificación del recurso solar, eólico y temperatura para el municipio de Arjona, Bolívar.

Fuente: Página web NASA, software Meteonorm, Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia. [3], [4], [5]

Mes

H_Gh [kWh/m2/día]

H_Dh [kWh/m2/día]

H_Bn [kWh/m2/dí

a]

Ta [°C]

Velocidad del

viento [m/s]

NASA Meteono. NASA Meteono. Meteono. NASA Meteono. Atlas NASA

Enero 6,04 4,58 7,89 2,35 3,52 26,7 27 5 – 6 6,76 Febrero 6,28 4,75 7,28 2,50 3,36 27,4 27 5 – 6 7,08 Marzo 6,46 5,03 6,71 2,77 3,10 27,7 27 3 – 3,5 7,10 Abril 6,19 4,40 5,77 2,63 2,43 26,8 27,9 5 – 6 6,18 Mayo 5,67 4,53 5,03 2,37 3,13 26,4 28,4 5 – 6 5,22 Junio 5,68 4,33 5,24 2,23 3,03 26,6 28,6 1,5 – 2 5,37 Julio 5,85 4,58 5,48 2,55 2,90 26,5 28,4 1,5 – 2 5,62

Agosto 5,89 4,37 5,33 2,77 2,37 26,4 28,6 5 – 6 5,22 Septiembre 5,34 4,27 4,51 2,57 2,40 26,0 28,6 1,5 – 2 4,70

Octubre 4,95 3,61 4,39 2,26 1,94 25,9 28,2 2 – 2,5 4,41 Noviembre 5,04 3,67 5,37 2,10 2,47 25,9 28 2 – 2,5 4,83 Diciembre 5,35 3,84 6,62 2,32 2,39 25,9 27,7 2 – 2,5 6,11

Año 5,72 4,33 5,80 2,45 2,75 26,0 27,98 3,7- 3,9 5,71 H_Gh: Irradiación global horizontal

H_Dh: Irradiación difusa horizontal

H_Bn: Irradiación de la radiación directa normal

Ta: Temperatura del aire

La Tabla 3 muestra los datos obtenidos para el recurso solar y eólico en las distintas fuentes consultadas. Sin

embargo, para efectos de la simulación, y con el fin de tener una única fuente de información, se usan solamente

los datos proporcionados por la NASA.

Costos Teniendo en cuenta la disponibilidad de los recursos, se espera realizar el análisis implementando: generador

de energía térmica (diésel), generadores fotovoltaicos y aerogeneradores además de la conexión a red

eléctrica. Debido a los componentes de generación es necesario utilizar conversores e inversores, estos

últimos son elementos dedicados a los mismos generadores fotovoltaicos. Adicional a los elementos de

generación y conversión de energía, se realizaran análisis implementando baterías.

El software Homer Pro cuenta con datos sobre costos (inversión, reemplazo, operación, mantenimiento y

costos de combustibles para cada uno de los componentes de generación, precio de la energía de red) se

buscó obtener dichos valores basados en datos reales y son los que se presentan a continuación:

Se tiene en cuenta el costo del combustible promedio para el año 2015 en Cartagena según el Ministerio de

Minas y Energía, como 7581,07$/gal y 2005,57$/L. [6]

Tabla 4. Resumen de costos por tecnología. Fuente: UPME

Componente Inversión

(Instalación)

Reemplazo

(Generador)

Operación y

mantenimiento Vida útil

Generador

(Térmica) $1.840.260.525

732.485,13

$/kW

5257,09

$/kW-hora 20 años

Generación

fotovoltaica $2.207.057.255

13.716.950

$/kWp

274.339

$/kW-año 20 años

Generación

eólica $999.965.655

11.700.558,35

$/W

24.690,51

$/MW-año 20 años

Batería $192.037,3

$192.037,3

5.486,78

$/año 4 años

Convertidor $137.169,5 $137.169,5 5.486,78

$/año 10 años

Inversión: Costos de construcción, vías, líneas, ingeniería, diseño, entre otros por cada sistema.

Reemplazo: Costo únicamente del elemento generador de energía o de la batería.

Tabla 5. Costos de la generación Diésel

Tabla 6. Costos de la generación fotovoltaica.

Planta térmica (20 años)

COSTOS PREOPERATIVOS

USD $ (Peso

colombiano)

Predios (USD) 3500 9601865

Vías de acceso (USD)

250600 687493534

Líneas de conexión (USD)

6000 16460340

Obras civiles (USD) 212537 583071880,4

Grupo electrógeno y auxiliares (USD/kW)

267 732485,13

Inversiones ambientales (USD)

4531 12430300,09

Ingeniería (USD) 113437 311201931,4

Imprevistos (USD) 60119 164929863,4

Financieros preoperativos (USD)

18666 51208117,74

Ley preoperativos (USD)

1408 3862693,12

COSTOS OPERATIVOS GENERADOR

USD $ (Peso

colombiano)

AMO (USD/kW-año) 15 41150,85

AMO variable (USD/kW-año)

170 466376,3

AMO (USD/kW-hora)

0,0017 4,762829861

AMO variable (USD/kW-hora)

0,0196 53,97873843

COSTOS OPERATIVOS

OTROS ELEMENTOS USD

$ (Peso colombiano)

Mantenimiento líneas (USD/año)

120 329206,8

Mantenimiento de vías (USD/año)

7518 20624806,02

Manejo ambiental (USD/año)

1064 2918966,96

Seguros (USD/año) 3855 10575768,45

Cargos de ley operativos (USD/año)

13380 36706558,2

COMBUSTIBLES USD $ (Peso

colombiano)

Combustible (USD/gal)

2,76 7571,7564

Combustible (USD/L)

0,73 2002,6747

Planta fotovoltaica (20 años)

COSTOS PREOPERATIVOS

USD $ (Peso

colombiano)

Estudios e investigaciones

(USD) 100000 274339000

Predios (USD) 3500 9601865

Infraestructura (USD)

300000 823017000

Obras civiles (USD)

230000 630979700

Equipo de generación (USD/kWp)

5000 13716950

Inversor (USD/kW) 1200 3292068

Ingeniería (USD) 110000 301772900

Imprevistos (USD) 40000 109735600

Financieros preoperativos

(USD) 20000 54867800

Ley preoperativos (USD)

1000 2743390

COSTOS OPERATIVOS GENERADOR

USD $ (Peso

colombiano)

AMO (USD/kW-año)

100 274339

AMO (USD/kW-hora)

0,011574074 31,75219907

COSTOS OPERATIVOS

OTROS ELEMENTOS

USD $ (Peso

colombiano)

Manejo ambiental (USD/año)

500 1371695

Seguros (USD/año)

2500 6858475

Cargos de ley operativos (USD/año)

10000 27433900

Tabla 8. Costos generación eólica. Fuente: UPME

Tabla 7. Costos generación eólica. Fuente: UPME

Simulaciones con el software Homer Pro

Datos ingresados al software

Información general del proyecto Al iniciar el proceso de simulación, el software tiene en cuenta la siguiente información que permite conocer

datos generales del proyecto:

Ubicación: Arjona, Bolívar. Municipio elegido por los autores.

Tasa de descuento: 7,89%. Valor obtenido a partir del riesgo país asociado a Colombia y una tasa de libre

riesgo correspondiente a la tasa de los bonos soberados a 10 años. [8]

Tasa de inflación: 6,77%. Valor obtenido según el DANE para el mes de diciembre de 2015. [9]

Capacidad anual de escasez: 0%. Valor asumido por los autores.

Vida útil del proyecto: 25 años. Tiempo asumido por los autores.

Además, se aclaró en el software en la opción “Economics” que se trabaja con Peso Colombiano como moneda

para el proyecto.

Planta eólica (20 años)

COSTOS PREOPERATIVOS

USD $ (Peso

colombiano)

Predios (USD) 3500 9601865

Infraestructura (USD) 300000 823017000

Fundaciones y plazoletas de maniobra

(USD/kW) 4265 11700558,35

Aerogenerador (USD/kW)

700 1920373

Imprevistos (USD) 40000 109735600

Financieros preoperativos (USD)

20000 54867800

Ley preoperativos (USD) 1000 2743390

COSTOS OPERATIVOS GENERADOR

USD $ (Peso

colombiano)

AMO (USD/MW-año) 8,5 23318,815

AMO variable (USD/kW-año)

0,5 1371,695

AMO (USD/MW-hora) 0,000983796 2,698936921

AMO variable (USD/kW-hora)

5,78704E-05 0,158760995

COSTOS OPERATIVOS OTROS ELEMENTOS

USD $ (Peso

colombiano)

Manejo ambiental (USD/año)

500 1371695

Seguros (USD/año) 2500 6858475

Cargos de ley operativos (USD/año)

10000 27433900

Batería (4 años)

USD $ (Peso

colombiano)

Unidad 70 192037,3

AMO 2 5486,78

Convertidor (10 años)

USD $ (Peso

colombiano)

Unidad 50 137169,5

AMO 2 5486,78

Carga Se ingresaron los valores correspondientes a la carga del sistema que se presentan en la Tabla 1. Gracias al

software Homer Pro, se pudo graficar el perfil de carga de cada mes como se evidencia en la siguiente figura

2.

Figura 2. Perfil de carga diario promedio de cada mes para el municipio de Arjona, Bolívar; obtenido con el software Homer Pro.

Recursos Según las diferentes formas de generación de energía que serán empleadas, el software Homer Pro necesita

los valores de radiación global horizontal (H_Gh), velocidad del viento, temperatura y combustible. Según la

ayuda del programa, los datos de radiación directa normal son necesarios si no se emplean paneles planos, ya

que estos capturan radiación difusa, directa y reflejada por lo que solo se emplea el recurso de radiación global

horizontal. [10]

Radiación global horizontal La Figura 3 presenta la gráfica que se obtuvo a partir del software Homer Pro, al importar los datos de la

página web de la NASA. Se presenta la radiación global horizontal y el índice de claridad, el cual corresponde

a una fracción de la radiación solar que es transmitida a través de la atmosfera para golpear la superficie de la

Tierra. [10]

Figura 3. Radiación global horizontal e índice de limpieza diario para el municipio de Arjona, Bolívar. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Velocidad del viento La grafica correspondiente a la velocidad del viento promedio para cada mes, se obtuvo de igual forma con

los datos importados de la página web de la NASA. En la opción para incluir los datos de velocidad del viento

se incluye la altura sobre el nivel del mar del sitio, valor obtenido de la página web de la alcaldía y la altura del

anemómetro, dada por defecto por el programa.

Figura 4. Velocidad del viento promedio por mes para el municipio de Arjona, Bolívar. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Temperatura Los valores de temperatura promedio por mes fueron importados de la página web de la NASA al software

Homer Pro.

Figura 5. Temperatura promedio por mes para el municipio de Arjona, Bolívar. Imagen obtenida del software Homer Pro

Combustibles Para los datos correspondientes al combustible que se empleara (Diésel) se mantuvieron los valores que el

software brinda por defecto, a excepción del precio por litro, el cual fue ingresado en pesos colombianos

según la información contemplada en el ítem de costos.

Figura 6. Características del combustible (Diésel). Imagen obtenida del software Homer Pro.

Componentes implementados al análisis

Generador térmico Para escoger el generador térmico, el software aconseja escoger una máquina que maneja 1.2 veces la carga

pico. Para este caso, la carga pico corresponde al valor máximo del mes de abril como se presenta en la

siguiente gráfica con 1334,62 kW.

Figura 7. Perfil de carga mensual para el municipio de Arjona, Bolívar. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Teniendo en cuenta esto, se consideran como opciones generadores de 0kW, 500kW, 1000kW y uno de

1600kW. Se ingresan los valores correspondientes para inversión, reemplazo y O&M (Operación y

mantenimiento) del elemento generador por cada kW, según los datos de costos presentados en la Tabla 4.

De los valores específicos del elemento generador, únicamente se modifica el tiempo de vida útil dado en

horas para 20 años, también se selecciona el diésel como el combustible a emplear.

Figura 8. Características del generador térmico. Imagen obtenida de Homer Pro.

Generador fotovoltaico Al incluir los datos necesarios para implementar generación fotovoltaica se utilizaron los datos

correspondientes a la inversión, reemplazo y O&M por cada kW, según los datos presentados en la Tabla 4.

Se optó por hacer el análisis para un sistema fotovoltaico de varios tamaños; 0kW, 1kW, 5kW, 10kW, 15 kW

y 20kW. Además se decidió contar con los valores de temperatura que se habían ingresado anteriormente

para considerar el efecto de temperatura.

Figura 9. Características del generado fotovoltaico. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Generador eólico El generador eólico a diferencia de los otros generadores, tiene en cuenta el costo por unidad de generación

mientras que los otros cuentan el costo por kW; por lo que se asumió un generador de 10kW y se obtuvo el

valor de este por su capacidad según la Tabla 4 en la que se conoce el valor por kW, también se ingresaron

los valores de reemplazo y mantenimiento a partir de la misma tabla. Se consideraron las posibilidades de 0,

1, 5, 10, 20 y 100 unidades de generación. Se incluyó el tiempo de vida útil como 20 años.

Figura 10. Características del generador eólico. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Almacenamiento Para el almacenamiento se escogió una batería genérica de plomo-acido, se incluyeron los costos de inversión,

reemplazo y O&M según la Tabla 4. Se decidió realizar el análisis para 0, 1, 5, 10 y 15 baterías con una vida

útil de 4 años y considerando el efecto de temperatura. Los demás valores se mantuvieron según el software.

Figura 11. Características de la batería. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Conexión a red Se decidió contar con la conexión a la red, manteniendo los parámetros dados por el software a excepción

del valor unitario de la energía que según Electricaribe es de 340 pesos promedio por kwh. [10]

Figura 12. Precio de unidad energética. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Convertidor El software permite modificar los datos del convertidor, compuesto por inversor y rectificador. Para ambos

elementos se ingresan los valores de eficiencia y vida útil. Los costos de inversión, reemplazo y O&M se

ingresaron según la Tabla 4. Se decidió realizar la simulación con la opción mínima de 0kW y máxima de 25kW

Figura 13. Características del convertidor. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Después de haber ingresado los datos correspondientes a la carga, los recursos y las tecnologías, se obtiene

un sistema como el que se presenta a continuación, en el que se evidencia: la carga, el generador térmico, el

generador fotovoltaico, el generador eólico, la conexión a red, las baterías y el convertidor.

Figura 14. Esquema del sistema de energía planteado para el municipio de Arjona, Bolívar. Imagen obtenida del software Homer Pro.

Ahora bien, pensando en tener un mínimo de participación de energía renovable dentro de la micro-red, se

especifica al simulador que debe haber un mínimo de 30% de participación renovable dentro del sistema.

Resultados de la simulación

Por último al correr la simulación Homer Pro analiza todas las posibles combinaciones entre los tipos de

generación de manera que se supla la demanda, y calcula los costos que conlleva cada combinación. Finalmente

entrega una tabla con los resultados de la simulación y señala la opción más económica.

Así pues, para nuestro caso el simulador probó 452 combinaciones. La Figura 15 muestra el tipo de

combinación, los costos y por último el porcentaje de participación de energías renovables para las primeras

14 alternativas bajo estudio.

Figura 15. Resultados simulador Homer Pro.

Ahora bien, en la figura 16 se muestra la opción que escoge Homer Pro como la más económica bajo la

premisa de un mínimo de 30% de participación renovable.

Figura 16. Elección económica de Homer Pro.

Figura 17. Resumen eléctrico de la microred PV: fotovoltaico

Grid: Red G10: Generador eólico de 10 kW

De la figura 17 además de la distribución mensual de la generación entre las tecnologías muestra:

El porcentaje de participación anual de cada tecnología dentro de la microred (0.69% fotovoltaica,

38.55% eólica y 60.75% de por parte de la red)

El porcentaje de penetración de energía renovable que es de 39.2%.

El costo promedio de la energía: 244.22

Costos de operación: $724.654.000 por año.

La opción elegida permite diversificar las fuentes de generación de energía para el municipio de Arjona.

Adicionalmente, si tenemos en cuenta los constantes cortes de energía que se presentan en el área por parte

de Electricaribe (para este caso la red), esta opción garantiza la continuidad del servicio a la fracción de la

demanda durante estos eventos.

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