Usando el calcinante norte de Chile como punto de convergencia, el autor describe una herramienta computacional que puede identificar el método más económico para energizar sistemas de bombas—por conexión convencional a la red eléctrica existente, a generadores accionados con diesel, o energía solar

Por Francisco Chueco

Muchas compañías mineras en el norte de chile operan pozos de agua para abastecer sus necesidades industriales. Los sistemas de bombeo normalmente reciben energía de cables eléctricos aéreos conectados a la red energética más cercana. En otros casos se usan equipos generadores diesel para energizar.

La radiación solar en esta región es de las más altas del mundo, y bajo ciertas condiciones, las soluciones fotovoltaicas (PV) pueden ser una opción más económica que las fuentes de energía tradicionales. Las celdas PV transforman la luz del sol en electricidad, almacenándola en baterías para uso posterior. Los sistemas solares PV normalmente se usan para aplicaciones autónomas, requieren poca mantención y son ideales para lugares apartados. Debido a la posición geográfica del norte de Chile y a los altos niveles de luz solar durante todo el año, los sistemas PV autónomos y los sistemas híbridos PV-diesel podrían ofrecer una solución rentable para algunos proyectos de bombeo en esta región.

SKM ha desarrollado una herramienta de software que ha probado ser útil para generar estimaciones de inversión operación anual de proyectos fotovoltaicos autónomos, proyectos de extensión de la red y generación de energía alimentados con petróleo para sistemas de bombeo en el norte de Chile. Permite calcular el Valor Actual de los Costos (PVC), comparando tres soluciones posibles para el mismo proyecto de bombeo y analizando la rentabilidad de cada solución con diferentes variables. Este artículo muestra la comparación, usando datos del área cercana a Calama, Chile, y los precios actuales de la energía y el combustible.

Mediante diferentes cálculos usando esta herramienta, se pudo demostrar que las soluciones PV pueden ser una solución más rentable que la generación de energía con diesel o ampliaciones de la red para energizar sistemas pequeños de bombeo. Para los sistemas de bombeos a gran escala, los generadores diesel o las ampliaciones de red son soluciones generalmente más rentables; sin embargo, los precios del combustible y la energía y costos PV cada vez menores pueden cambiar los límites de la rentabilidad, y es importante prestar atención a la evolución de estas variables.

Usando los resultado generados por el software, es posible obtener rápidamente una estimación de la solución más rentable para muchos proyectos de bombeo, permitiendo a los usuarios concentrase en sus esfuerzos sobre los pozos más productivos y la opción óptima desde un punto de vista económico.

Hay dos sistemas de energía independientes en el norte de Chile: El Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) y el Sistema Interconectado Central (SIC). Estos sistemas tienen dos tipos de usuarios: clientes controlados con demandas anuales contratadas de energía, y clientes no regulados. Entre estos últimos se incluyen grandes consumidores de energía tales como compañías mineras, y el precio de la electricidad es diferente en cada caso, regulado por contratos privados entre el proveedor de energía y el cliente. El precio normalmente se clasifica para el margen de generación. Es importante indicar que el costo de electricidad en esta área aumentó dramáticamente el 2008 en ambos sistemas debido a una serie de factores, exacerbados por condiciones de sequía regional.

El costo del combustible diesel para cada compañía minera en el área es diferente, pero la tendencia de precios ha estado al alza; en los últimos nueve años el precio del combustible diesel ha oscilado de $0,33/l hasta $1,38/l, una variación del 419%. Esta variabilidad es un factor importante en costos operacionales para los usuarios.

El norte de Chile tiene uno de los más altos niveles de radiación solar del mundo. Por ejemplo, en Calama, la radiación solar va desde 4,73 kWh/m2 en un día de Junio hasta 8,84 kWh/m2 en un día de Diciembre. Las minas están ubicadas en elevaciones que van desde el nivel del mar hasta miles de metros sobre el nivel del mar (SNM). Por ejemplo, Cía. Minera Doña Inés de Collahuasi está ubicada a 4.400 m SNM. Esto ofrece condiciones favorables para los sistemas PV porque la radiación solar aumenta con la altura y las temperaturas máximas son moderadas, reforzando el rendimiento de los módulos fotovoltaicos.

Calcular para Comparar
La herramienta de software desarrollada por SKM se puede usar para evaluar sistemas de bombeo a cualquier presión, volumen diario y horas de operación en esta región, a fin de identificar la solución más económica. Evalúa el equipo propuesto para cualquier proyecto de bombeo, ya sea propulsado por generación diesel, conexión a la red eléctrica o como un sistema PV autónomo.

El usuario ingresa datos básicos (tales como volumen diario de agua, presión, horas de bombeo por día, longitud de cañería, material de cañería, presión nominal y eficiencia de la bomba) y la herramienta calcula la potencia de la bomba y del sistema hidráulico. El Método Bress se aplica para obtener el diámetro óptimo de la cañería usando las fórmulas Hazen-Williams y Darcy-Weisbach para calcular las pérdidas en la cañería.

Para analizar un proyecto que esté conectado a la red eléctrica, el usuario ingresa el costo de electricidad, voltaje disponible y distancia hasta la red más cercana y la herramienta calcula el voltaje óptimo de la línea de alta tensión.

Para una instalación propulsada por diesel, la herramienta selecciona automáticamente un equipo generador diesel capaz de entregar el suministro eléctrico requerido al sistema para el bombeo. También hace una estimación de la inversión inicial y los costos anuales de operación para esta solución. La potencia nominal se calcula dependiendo de la altura geográfica del proyecto. El tamaño del equipo (generadores diesel, variadores de frecuencia, partidor suave o transformadores) se ajusta, aplicando los factores correspondientes para la altura.

El algoritmo calcula el sistema PV fuera-de-red aplicando el método de mes menos favorable y calcula un presupuesto detallado de inversión considerando los elementos principales tales como módulos PV, controladores de carga, inversores, baterías, estructuras fijas, cableado, etc. En el método del mes menos favorable, la instalación PV está diseñada para satisfacer las demandas eléctricas para ese mes. Por lo tanto, en periodos más favorables el sistema también será adecuado. El cálculo usa valores promedio diarios de consumo y radiación. Para infraestructuras grandes se recomienda un análisis de sistemas híbridos (PV-diesel), y requeriría un estudio posterior.

La herramienta permite la modificación de diferentes variables. En este artículo, hemos considerado las siguientes variables:
•    24 horas de bombeo por día,
•    Información local (radiación solar, temperatura, etc.),
•    Coeficiente total de pérdida del 15%,
•    Eficiencia del inversor del 90%,
•    Profundidad de descarga de las baterías del 70%, y
•    Costo estimado de $1,50/Wp para módulos de capa fina.

Poniendo en Funcionamiento los Números
Para cualquier solución analizada, la herramienta calcula el Valor Actual del Costo (PVC) tal como se describe en la ecuación de más abajo.

 

PVC es el valor de los costos de inversión, operación y mantención a lo largo de su vida útil a valor presente, permitiendo comparar las alternativas.
Donde:
Cn = costos anuales
I = inversión inicial
N = periodos o años
r = tasa de descuento

Para calcular el PVC, se elabora una tabla a 20 años de costos anuales, que refleje la inflación anual prevista—en este estudio, un 3%—afectaría el costo de la electricidad, precio del combustible, sustitución de equipos, costos de operación y mantención.

Esta herramienta de software es útil para el análisis comparativo; usa valores de Inversión de Costo Estándar de cualquier equipo y analiza un gran número de proyectos para variables generales. Presenta una visualización tridimensional. En uno de los ejes, se muestra la diferencia entre el PVC de dos posibles soluciones. En el otro eje se muestra un rango de potencia de bombeo (kW), distancia hasta la red eléctrica (km) y precios de la electricidad ($/MWh) o precios del combustible ($/litro). Es posible determinar los límites de rentabilidad en la comparación de cada solución. También es posible obtener estimaciones de costos de inversión inicial y los costos de operación anual de cada proyecto, y calcular el PVC. Cada solución para energizar un sistema de bombeo es comparada directamente en estas visualizaciones tridimensionales.

El usuario puede cambiar parámetros para obtener resultados para un área en particular, para tener en cuenta la proximidad de una red eléctrica o considerar las variaciones en los costos de energía y combustible. Están representadas las pérdidas eléctricas en las líneas de alta tensión. En general, las líneas eléctricas aéreas están diseñadas de forma que sus pérdidas óhmicas no sobrepasen el 7%, y este valor es considerado la referencia.

Eligiendo Fotovoltaico vs. 13.2-kV ampliación de la red
La figura 1 muestra los límites de rentabilidad de una solución PV versus una ampliación de la red de 13,2-kV considerando un costo de energía de $250/MWh. En la zona clara de la gráfica, la solución PV es más económica. Para sistemas de bombeo pequeños con largas distancias desde el pozo hasta la red existente, es más rentable una solución PV. A mayor distancia, la potencia de bombeo a la cual una solución PV es más rentable aumenta. Por ejemplo, cuando la potencia de bombeo es de 20 kW y la distancia desde el pozo hasta la red existente es de más de 8,5 km, una solución PV es más rentable que una ampliación de red de 13.2-kV.

A mayores precios de la electricidad, una solución PV es más rentable en la mayoría de los casos. La figura 2 muestra la susceptibilidad de la mejor opción para costo de electricidad en un caso donde el pozo está a 5 km de la red más cercana. En este caso, incluso si la energía es gratis, una solución PV es económicamente mejor que una conexión de red hasta 4,3 kW. Si el precio de la electricidad es $350/MWh, PV sería más rentable hasta 27 kW de potencia de bombeo.

Fotovoltaico vs. ampliación de red de 23-kV
Una solución PV es más rentable que un proyecto de ampliación de red de 23-kV hasta 85 kW de potencia de bombeo y 27 km desde pozo hasta la red existente. La figura 3 muestra la susceptibilidad de la mejor opción para costo de electricidad en un caso donde el pozo está a 20 km de la red más cercana. En este caso, incluso si la energía es gratis, una solución PV es económicamente mejor que una conexión de red hasta 24 kW. Un análisis posterior muestra que a una distancia dada, mientras más baratos son los módulos PV, mayor es el rango de la potencia de bombeo para el cual es aconsejable la opción PV. Sin embargo, incluso si los módulos PV fueran gratis, una ampliación de red es más favorable para proyectos que involucran el bombeo de potencia superior a 215 kW.

Fotovoltaico vs. generación diesel
En lugares donde la ampliación de la red no es factible, un sistema de bombeo puede ser accionado por un equipo generador diesel o por un sistema PV. En la figura 4, la zona clara indica el área en la cual es recomendable una solución PV autónoma (menor PVC). Por ejemplo, cuando el precio del combustible diesel excede $1,20/l, y considerando la radiación solar en el área, los sistemas PV son más rentables para las demandas de potencia de bombeo hasta 125 kW. Cada estudio de caso analizado considera el precio del combustible como información de entrada. Se ha aplicado una tasa de inflación anual del 3% para su vida útil.

La figura 5 muestra la susceptibilidad de rentabilidad de una solución PV basada en el costo de módulos PV de capa fina, considerando un costo de combustible de $0,85/l. Para demandas de potencia de más de 185 kW, la generación diesel es más barata, incluso si los módulos PV no tuvieran costo. Considerando los actuales costos del combustible, la potencia PV para proyectos que requieren hasta 20 kW es económica.

Ampliación de red de 66-kV vs. generación de energía con diesel
SKM también analizó proyectos basados en los niveles de voltaje de la red eléctrica disponibles versus la energía a partir de equipos generadores diesel. Un ejemplo se muestra aquí donde la potencia de la red disponible en de 66 kV. En este caso, el límite de rentabilidad se muestra en la Figura 6. Por ejemplo, cuando la red está a una distancia de 40 km, es más rentable instalar generación diesel hasta 1,8 MW, con precios del combustible y la electricidad de $0,85/l y $250/MWh, respectivamente.

Con un pozo ubicado a 30 km de la línea eléctrica aérea de 66-kV, por ejemplo, un proyecto que usa generación de potencia diesel de hasta 1,35 MW significa un menor PVC (Figura 7). A esta distancia y con un costo de combustible de $0,85/l, una asíntota—una línea que se acerca a una curva dada arbitrariamente, muy de cerca pero nunca la toca—cerca de $275/MWh se muestra en el gráfico. Si el costo de electricidad es mayor que este valor, será más económico instalar un sistema diesel.

Agradecimientos
El autor agradece el apoyo del Programa de Innovación y Tecnología y la Beca Bruce Sinclair de SKM, que financiaron estos estudios.

Francisco Chueco es un ingeniero eléctrico con Magister en Europa en Energía Renovable, que trabaja en la oficina SKM de Santiago, Chile. Publicada con el permiso de SKM, esta es una versión resumida del artículo original; los lectores pueden obtener una copia del original, incluyendo todo el texto, tablas y referencias, contactando a [email protected]

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