Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca Arq. María Paola Gutiérrez Acuña Ing. Roy Arcenio Maya Mora Energía Renovable Actividad 8 - Grupo 8 Especialización en Edificación Sostenible
Determinación de solución energética óptima (Biomasa, Eólica, Fotovoltaica). BIOMASA La bioenergía es la energía que se obtiene a partir de biomasa que es la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontaneo o provocado, utilizable como fuente de energía, biomasa es, por tanto, toda planta o materia que hay sobre la superficie: residuos agrícolas, forestales, restos de la industria maderera (Castells, 2012). Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto en el proyecto contamos con bodegas de almacenamiento de las raciones, para ser entregadas al personal del ejército, no se genera ningún residuo que pueda ser aprovechado para este tipo de energía, en el área la vocación agrícola es alta, pero en la zona destinada para la base militar de Tolemaida su finalidad es netamente para las actividades de las fuerzas armadas. En los alrededores se encuentran algunos tipos de plantas y árboles de tipo arbustivo los cuales podrían ser aprovechados para generar biomasa, pero teniendo en cuenta las condiciones de protección del ecosistema y la vegetación necesario para la mitigación contra el riesgo de remoción en masa, es por estas razones que no se encuentra viable la biomasa para ser implementada en el proyecto. EÓLICA La energía eólica requiere de un aerogenerador, dispositivo que transforma la energía cinética contenida en el viento en energía eléctrica en condiciones idóneas para ser utilizada. (Talayero Navales & Telmo Martinez, 2011), se debe relacionar en posicionamiento las características de presión de altura sobre el nivel del mar como otras variables que pueden mejorar el rendimiento de los aerogeneradores. Rosa de los vientos Ideam. Estación más cercana por similitud condiciones climáticas.
Tomado de: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasClimatologico.html
Cuanto más grande es el gradiente de presión mayor es la fuerza sobre el aire y más elevada es la velocidad del viento (Talayero Navales & Telmo Martinez, 2011), con respecto a esta
apreciación, el proyecto se encuentra a 323 m.s.n.m, el espacio geográfico dominado por el cañón del rio Sumapaz hace que las corrientes de aire sean favorables, sin embargo no se cuenta con un estudio específico sobre la velocidad del viento cerca al sitio donde se encuentra localizado el proyecto. Ilustración 1 Velocidad del viento en el área del proyecto
Tomado de: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasClimatologico.html En la anterior imagen se puede evidenciar que la velocidad del viento promedio es de 2m/s a 3m/s, según los datos obtenidos por el IDEAM, siendo esta la única medición confiable no hace posible el funcionamiento del aerogenerador con esa velocidad específica, apenas se tendría la velocidad mínima requerida para el arranque de los aerogeneradores, convirtiéndose en una propuesta inestable, pero es importante destacar que las condiciones propias del sitio se pueden modificar (como la implementación de la arquitectura vegetalizada que nos conduzca específicamente los vientos al proyecto) para mejorar la velocidad del viento en este punto específico, por tanto no se puede descartar del todo esta fuente de obtención de energía. FOTOVOLTAICA (PANELES SOLARES) De las 3 alternativas se encontró como la de mayor potencial de aprovechamiento la implementación de los paneles fotovoltaicos, el proyecto actualmente presenta problemas con respecto a las dos empresas prestadoras del servicio eléctrico (Enertolima y Codensa). La radiación solar promedio es de 4,0 Kwh/m2 a 5,0 Kwh/m2 según el atlas climatológico del IDEAM, con 6 horas de sol al día.
Ilustración 2 Radiación solar en el área del proyecto
Tomado de: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasClimatologico.html Ilustración 3 Calculo consumos detallado proyecto
Los datos son fiables en cuanto que son obtenidos por una entidad estatal, las horas aproximadas aprovechables 4,8 de radiación máxima, se presentan los datos base en cuanto a gastos energéticos generados por los electrodomésticos, bombillas y cuartos fríos normales,
divididos por las diferentes edificaciones en las que se encuentran. Teniendo en cuenta su frecuencia de uso y potencia y adicional un consumo propuesta. Ilustración 4 Calculo Consumo Base
Se realizó un análisis con el cual se aplicó la Resolución 0549 de 2015 en cuanto a cumplimiento ahorro energético del 40% en caso de oficinas, pero como tenemos una combinación de uso entre oficinas y bodegas industria, la resolución no refiere específicamente nada frente a estos ahorros industriales, como alternativa los datos comparativos con el cuadro y teniendo en cuenta la anterior se obtuvieron los siguientes ahorros porcentuales: 51,1% en el área de oficinas y un 30% en el área de los cuartos fríos como lo son los de congelamiento y preservación que consume la mayoría de energía del proyecto, este ahorro es posible implementado electrodomésticos y tecnología usada en las oficinas con certificados como Energy Star, certificados de aparatos ahorradores de energía, bombilla e iluminación de bajos consumos y cuartos fríos con consumos menores, todo lo anterior con el fin de bajar el consumo base del proyecto y cumplir con los requerimientos normativos de reducción en consumos de energía. Ilustración 5 Calculo Consumo Propuesta
Teniendo en cuenta lo anterior se puede considerar adicional un ahorro en el consumo del proyecto evaluado implementando sistema fotovoltaico, cubriendo el 100% de la demanda. Esto quiere decir que estaríamos hablando de un proyecto Net 0, desconectado totalmente de la red. los paneles fotovoltaicos cubrirán el consumo de las oficinas las bodegas y las bombas de agua, con sus respectivas baterías de respaldo. Según la resolución 015 Creg 30-2018 que atribuye las aspectos operativos y comerciales en cuanto a la compensaciones al usar energía renovable en los proyectos. Es necesario tener el plan B al tener el manejo de alimentos perecederos los cuales no pueden estar sin su respectiva refrigeración, sería para este caso tener una mini planta eléctrica alimentada por diesel solo por emergencia si el sistema llega a fallar, estaría disponible para abastecer energéticamente a la bodega.
Ilustración 6 Calculo Paneles fotovoltaicos Consumo Base
Al realizar los cálculos y cubrir con una demanda del 100% del proyecto en el consumo base necesitamos implementar un total de 506 paneles distribuidos 392 unidades para cubrir la demanda de las bodegas y 114 para las oficinas, su ubicación es estratégica para evitar las pérdidas por largos recorridos en largos tendidos que no serían necesarios por la cantidad de espacio disponible y así poder cubrir las demandas necesarias. En las oficinas la ubicación estratégica seria sobre los parqueaderos para cumplir con su doble funcionalidad encontrarnos cerca de la edificación y crear sombras en los parqueaderos. De igual manera en la zona de la bodega la ubicación seria al occidente sobre los tanques de reserva de agua también con su doble finalidad de generar sombra sobre los tanques y encontrarnos cerca. Se descarta la opción de instalar los paneles sobre las cubiertas por el peso total de los paneles en el caso crítico en consumo tendríamos para los 392 paneles un peso aproximado de 9.8 toneladas adicionales (por el peso de cada panel 25 kg) que se deben contemplar y que nos generarían un cambio a la materialidad de la cubierta y a la estructura por el peso adicional, generando sobrecostos al proyecto. Ilustración 7 Calculo Paneles Fotovoltaicos Consumo Propuesta
Con los cálculos del consumo propuesto ya explicado con anterioridad, se obtiene la necesidad de implementar un total 293 paneles, una reducción considerable con respecto al consumo base, dando solución a esta problemática se optó por dividir los paneles en dos grupos para alimentar las edificaciones, 205 paneles para el edificio de oficinas con una ocupación en área de 401,66 m2, estos serán ubicados en el área de parqueaderos y en la bodega los 88 paneles que ocupan un área de 171,14 m2, ubicados sobre los tanques de agua. Ilustración 8 Áreas paneles propuesta
Ilustración 9 Implantación de los paneles en zona de bodega
Ilustración 10 Implantación de los paneles en oficinas
lustración 11 Implantación general paneles fotovoltaicos Centro de Abastecimiento y distribución Regional Tolemaida
Ilustración 12 Análisis sombras ubicación paneles fotovoltaicos
Tomada: grupo de trabajo Los paneles que se van a implementar en el proyecto constan de un rendimiento del 80%, es un panel policristalino con un peso aproximado de 26,5 kg, la estructura tiene una aleación de aluminio anodizado. Con un dimensionamiento de 1,96 m x 0,92 m de alto. Se realizó un análisis de sombras del proyecto durante todo el año para evitar sombras de las edificaciones sobre los paneles y perder efectividad de los paneles, nos aseguramos que el posicionamiento planteado sea óptimo al 100% adicional de ser instalados cerca a las edificaciones para evitar las pérdidas por recorridos, y ser aun así más eficiente el sistema. Ilustración 13 Detalles Paneles
Tomado Ficha técnica Panel 320w https://www.jinkosolar.com/
BATERIAS SOLARES
Se tomaron como alternativa las baterías de gel, con características de 170 AH, las baterías son eléctricas y químicas. Son utilizadas para almacenar la energía producida por los paneles solares con ayuda del controlador que dirige la energía según sea necesaria para el consumo o almacenamiento teniendo en cuenta la hora del día y la demanda energética. A continuación se presentan los dos escenarios denominados consumo base que nos muestra la relación sin ningún equipo que optimice el uso de energía. Ilustración 14 Cuadro de Baterías Consumo Line Base
Realizado grupo de trabajo
En el siguiente cuadro se observa la propuesta con el ahorro de energía proyectado con la compra de equipos eléctricos eficientes que ayudan en la disminución de los gastos en sistema de almacenamiento como en los insumos de las conexiones accesorios y protecciones en los sistemas. Ilustración 15 Cuadro de Baterias Consumo Propuesta
Realización grupo de trabajo Se consideró el documento de la UPME en cuanto a incentivos generados en proyectos con energía solar, en el documento se sugiere la reducción de impuestos por un total del 50% de
la inversión a lo largo de cinco años, se menciona la viabilidad de los proyectos en cuanto a los costos, se debe tener en cuenta que el libro es publicado en 2015 donde los precios de los paneles, inversores, controladores excedían en alrededor de un 50% su precio comparado con los equipos comercializados hoy en día, se generan subvenciones por pago de impuestos que ayudan y facilitan la tasas interna de retorno (TIR). Como parte del ejercicio técnico se debe considerar los aportes generados por los créditos de energía, realizar los estudios pertinentes para el cálculo del sistema. Ilustración 16 Curvas De Demanda y Producción Para Una Instalación Solar Residencial
Tomado: Integración De Las Energías Renovables No Convencionales En Colombia.
Se puede aprovechar la producción horaria para generar excedentes para ser entregados en el sistema interconectado, aprovechando las horas de sol que son generadas entre las 6 am a 6 pm, se consideran importantes los cálculos para solventar la energía gastada en las horas de la noche con las horas del día. Esta alternativa es aplicable a proyectos que no presenten altos costos en la interconexión al tendido eléctrico. Por las anteriores razones, más un respaldo técnico se espera aumentar la TIR y reducir el tiempo de retorno de la inversión a un poco menos de 9 años como lo menciona documento UPME. PRESUPUESTO Como una de las partes más importantes del proyecto se encuentra el presupuesto, fue analizado en dos escenarios el óptimo contempla las alternativas de diseño utilizadas en el ahorro de materiales y equipos que pueden ser utilizados en la implementación del sistema, como escenario crítico se tomaron los gastos de diseño. Esto con el fin de tener las dos alternativas y que el cliente sea el que elija la mejor opción. Se realizaron los cálculos con precios de las diferentes cotizaciones consultadas por el grupo de trabajo; se presentan los cuadros a continuación que incluye paneles de 320w, baterías de 170 mph, cables de panel fotovoltaico, terminales, inversores y reguladores elementos esenciales para la implementación de los paneles fotovoltaicos.
Ilustración 17 Cuadro de presupuesto con equipos asignados por el proyecto
Realización: grupo de trabajo Del anterior cuadro se realizó el cálculo con los gastos eléctricos y el cobro promedio por parte de la empresa de energía en la factura el pago del recibo con un precio de kilovatio hora es de $ 582,69 pesos, se realizó la multiplicación por el gasto generado por el edificio en sus condiciones de diseño actual para un total de $ 9.317.213,10 teniendo en cuenta la inversión realizada en el cuadro inmediatamente anterior genera en 50 meses el retorno de la inversión. Los cálculos se realizaron con equipos que cuentan con eficiencia energética, como principal característica se logra un ahorro en baterías que necesita el sistema, y otro tipo de accesorios como cable, conectores MC4, genera un ahorro en el presupuesto que puede ser direccionada al edificio o gastos operacionales de la edificación Ilustración 18 Cuadro de presupuesto con equipos ahorradores
Realización: grupo de trabajo Se realizó el cálculo con los gastos eléctricos y el cobro promedio por parte de la empresa de energía en la factura el pago del recibo con un precio de kilovatio hora es de $ 582,69 pesos se realizó la multiplicación por el gasto generado por el edificio en sus condiciones de diseño actual para un total de $ 9.317.213,10 teniendo en cuenta la inversión realizada en el cuadro inmediatamente anterior genera en 30 meses el retorno de la inversión.
Al observar los presupuestos se observa una diferencia del 59% en el inversión a favor de la solución sostenible que se da estudio en el documento. Incorporación de energías renovables en edificaciones en Colombia La evaluación y viabilidad de las energías renovables es necesario aplicarlas a todos los proyectos en Colombia, en especial existe un gran mercado como son las oficinas, las universidades, los colegios, clientes potenciales al ser los interesados desde la construcción y en el mantenimiento pues directamente afectan al presupuesto de cada uno, aplicado al proyecto ubicado en Tolemaida es viable el uso de paneles fotovoltaicos según las características meteorológicas del lugar, factores determinantes al escoger una de las alternativas de energías renovables. En la normatividad se deben tener en cuenta los incentivos tributarios, implementación y excedentes que pueda generar el sistema, el gobierno presta servicios de asesoría los cuales deben ser solicitados antes del proyecto para algunas excepciones tributarias, factor económico determinante para ser más viable su implementación y que sea mucho más atractivo para los promotores de los proyectos. No solo ver como una alternativa ambiental sino múltiples beneficios económicos y sociales para los proyectos.
Paneles solares híbridos de segunda generación, más energía solar con menos superficie de captación: Isabel Guedea Uno de los grandes retos es la cantidad de espacio y el peso que nos genera en las edificaciones al instalar este tipo de tecnología de energía renovable, en la mayoría de edificaciones por lo general se debe instalar en las cubiertas de los edificios, se tiene áreas muy limitadas, adicional al contemplar colectores térmicos que caliente el agua se necesita aún más espacio para la instalación de todos estos sistemas, el texto nos presenta una buena alternativa que se llaman los Paneles solares Híbridos, “paneles capaces de transformar la radiación solar en electricidad y calor de forma simultánea, superpone ambas tecnologías, conocido como PVT photovoltaic/thermal” (Guedea 2016). Esta alternativa es muy buena porque en un mismo sistema se tiene la doble funcionalidad de calentar el agua y a su vez proporcionar energía, reduciendo el área necesaria en cubiertas, además de contar con altos rendimientos, son tecnologías limpias, que no producen ruido es decir nos evitamos una contaminación auditiva, estamos ayudando a reducir emisiones y tienen muy bajo mantenimiento. Pero lo malo es que no tienen una buena refrigeración uniforme en los módulos, un mal dimensionamiento puede traer problemas de sobrecalentamiento del sistema, todavía no logran integrarse con la arquitectura, todavía se ven como elementos extras. Para el proyecto de Tolemaida esta tecnología no es aplicable puesto que por las altas temperaturas que hay en el lugar no es necesario la calefacción del agua, todo lo contrario y adicional el proyecto tiene y cuenta con bastante área disponible para la instalación de los paneles, sin embargo no deja de ser una buena tecnología digna de aplicar en proyectos con
restricción de espacio y con la necesidad de aplicar ambas tecnologías calefacción del agua y generación de energía.
Bibliografía 1. Castells, X. E. (2012). Biomasa y Bioenergia. Madrid: Diaz De Santos. 2. Guedea Isabel, 2016. Paneles solares híbridos de segunda generación, más energía solar con menos superficie de captación 3. Talayero Navales, A. P., & Telmo Martinez, E. (2011). Energia Eolica. Zaragoza: Prensas Universitarias De Zaragoza . 4. http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html 5. http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasVientos.html 6. https://www.construible.es/biblioteca/libro-comunicaciones-5-congreso-edificios-energiacasi-nula 7. https://www.jinkosolar.com/ftp/SP%20Eagle%20HC%2072P%20320-340W-V.PDF 8. Fachadas con Energía Renovable. Meléndez García Sergio Javier. Editorial Trillas. 9. Ministerio De Minas y Energía De Colombia (2015). Integración De Las Energías Renovables No Convencionales En Colombia.