FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA INGENIERÍA INDUSTRIAL SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EN EL CORREGIMIENTO DE NAZARETH, LA GUAJIRA Línea de investigación: GEMAS Presentan: ZAYLETH YANICE BARCELO SANCHEZ CARLOS ALBERTO CARRILLO ZAMORA STEFANNY DAYANA CASTRO GRIMALDO ESNEIDER ANTONIO MEJIA CASTRO SHARON DE JESUS RUIZ BUELVAS Profesor Tutor: LUDYS LOPEZ POLO Trabajo de investigación 20/06/2023 BARRANQUILLA, ATLÁNTICO REPÚBLICA DE COLOMBIA Sistema híbrido de generación de energía en el Corregimiento de Nazareth, La Guajira Hybrid power generation system in the town of Nazareth, La Guajira. Z. Barceló*, C. Carrillo*, E. Mejía*, S. Ruiz*, S. Castro*, L. López**. {zayleth.barcelo, carlos.carrillo, stefanny.castro, sharon.ruiz, esneider.mejia, ludys.lopez} @unisimon.edu.co *Estudiante de Ingeniería industrial **Profesor investigador del grupo Universidad Simón Bolívar, Barranquilla-Colombia. Resumen La energía renovable ha tenido un impacto positivo ya que al ser ésta amigable con el medio ambiente es una energía ilimitada la cual se puede aprovechar. Esta condición ofrece oportunidades para el abastecimiento de algunas áreas, especialmente las rulares donde el acceso a la energía eléctrica se vuelve complejo por aspectos geográficos, demográficos, sociales y económicos. Por consiguiente, en esta investigación se diseñó un sistema híbrido de energía para una muestra conformada por 20 viviendas ubicadas en el Corregimiento Nazareth, municipio de Uribía (La Guajira). Este corregimiento tiene unas condiciones de vulnerabilidad, representadas en condiciones energéticas ineficientes que afectan el bienestar de sus habitantes. Para dar cumplimiento a lo anterior, en primera instancia se determinó la demanda de energía eléctrica de la muestra de viviendas, mediante la recopilación y análisis de sus datos de consumo eléctrico facturados por el proveedor del servicio. Seguidamente, se establecieron los parámetros necesarios del diseño para la producción de energía del sistema híbrido y en una etapa posterior, se diseñó el sistema para el abastecimiento de electricidad con las energías renovables, para finalmente realizar la respectiva evaluación económica para la instalación del sistema híbrido. Este trabajo corresponde a una investigación aplicada que, mediante un diseño de fuente mixta, de corte transeccional y con un enfoque cualitativo pudo alcanzar sus objetivos. Los resultados del proyecto indican que la demanda energética de las viviendas de la muestra es de 1532 kWh, lo cual hace necesario que el sistema opere con 29 paneles solares y 16 aerogeneradores, requiriéndose de un terreno de 26 kilómetros cuadrados. Los costos de instalación y puesta en marcha del proyecto ascenderían a unos 45.7 millones de pesos, los cuales se recuperarían a largo plazo, contando con un gran aporte al medioambiente. Finalmente, se concluye que el diseño e implementación de un sistema híbrido eólico-solar representa una alternativa viable y sostenible para contribuir al abastecimiento de la demanda energética en el corregimiento de Nazareth, garantizando un suministro constante y confiable de energía eléctrica. Además, que esta tecnología representa una solución eficiente y sostenible para abastecer la demanda energética en zonas aisladas, desconectadas de la red eléctrica convencional. Palabras clave: Sistema híbrido, energía solar, energía eólica, energías renovables. Abstract Renewable energy has had a positive impact since it is friendly to the environment, it is an unlimited energy that can be used. This condition offers opportunities for the supply of some areas, especially rural ones where access to electricity becomes complex due to geographical, demographic, social and economic aspects. Therefore, in this research, a hybrid energy system was designed for a sample made up of 20 homes located in the Corregimiento Nazareth, municipality of Uribía (La Guajira). This corregimiento has some conditions of vulnerability, represented in inefficient energy conditions that affect the well-being of its inhabitants. In order to comply with the above, in the first instance, the demand for electrical energy of the sample of homes was determined, through the collection and analysis of their electrical consumption data billed by the service provider. Next, the necessary design parameters for the energy production of the hybrid system were established and in a later stage, the system for the supply of electricity with renewable energies was designed, to finally carry out the respective economic evaluation for the installation of the hybrid system. . This work corresponds to an applied investigation that, through a mixed source design, transectional cut and with a qualitative approach, was able to achieve its objectives. The results of the project indicate that the energy demand of the homes in the sample is 1,532 kWh, which makes it necessary for the system to operate with 29 solar panels and 16 wind turbines, requiring a plot of land of 26 square kilometers. The installation and start-up costs of the project would amount to about 45.7 million pesos, which would be recovered in the long term, with a great contribution to the environment. Finally, it is concluded that the design and implementation of a wind-solar hybrid system represents a viable and sustainable alternative to contribute to the supply of energy demand in the town of Nazareth, guaranteeing a constant and reliable supply of electrical energy. In addition, that this technology represents an efficient and sustainable solution to supply the energy demand in isolated areas, disconnected from the conventional electrical network. Keywords: Hybrid system, solar energy, wind energy, renewable energies. I. INTRODUCCIÓN En el transcurso del tiempo las personas han llegado a depender más de la energía, lo cual se ha convertido en algo indispensable para su vida hasta el punto de llegar a existir uso excesivo de combustibles fósiles, los cuales son recursos no renovables. Teniendo en cuenta esto, el mundo se enfrenta a una crisis energética por lo que se deben buscar e implementar alternativas de solución y así mitigar el daño que se enfrenta. En efecto el consumo energético ha aumentado mundialmente debido al incremento inherente de la población y a la búsqueda del desarrollo económico, tecnológico y social de los países. En cuanto al consumo de energía a nivel mundial, en el 2019, el 80% de este consumo tenía origen de combustibles fósiles, se dividían entre petróleo, carbón y gas natural; mientras tanto la energía eólica solo representó el 2% y la energía solar un 1%. Así que lograr algunos de los compromisos energéticos que se pactaron en la reciente COP26 no será una tarea fácil debido a la alta demanda, las producciones al límite y algunas veces poca capacidad para el almacenamiento, y la infaltable necesidad de usar combustibles fósiles como el carbón [1]. Con respecto a la demanda de energía a nivel mundial de los combustibles fósiles, que comprende un 80%, esto implica que el sistema energético sea una de las principales fuentes en emitir CO2. Si se continúa de la misma manera, con la cantidad de combustibles fósiles que se usan actualmente y si se duplica la demanda energética para el 2050, las emisiones podrán superar grandemente las emisiones de carbono si se fija el aumento medio de la temperatura a nivel mundial a 2℃ [2]. En efecto, el cambio a un sistema de energía sostenible, como lo son sistema eólico y fotovoltaico, ofrece oportunidades de mejora en la eficiencia de energía desde la fuente hasta el uso, se minimizan los efectos adversos ambientales, reduciría las intensidades carbónicas y energéticas. En Colombia el 3 % de la población no tienen acceso a energía eléctrica, son casi 450.000 familias. En algunas partes el desabastecimiento se debe a que las áreas rurales que están a su alrededor suelen ser zonas de alta complejidad, tiene muy poca población, sus hogares están muy distantes, la geografía no permite construir una infraestructura física de redes eléctricas que permita abastecerlos. Con esta difícil situación podemos entrar a la búsqueda una solución para la producción de energía en estas zonas tan vulnerables [3]. Por otra parte, hoy en día, las necesidades energéticas que viven algunas regiones en Colombia son muy evidentes, la mayor vulnerabilidad se aprecia en los sectores rurales, donde la energía eléctrica es ineficiente o en algunas ocasiones inexistente. Hay que mencionar que en Colombia el total de números de viviendas aún sin servicio es de 404.231. Son seis los departamentos cuyo ICEE (índice de cobertura de energía eléctrica) es menor a 90%. El número de familias sin conexión en La Guajira es de 77.601, o sea 39% de los hogares no cuentan con electricidad. Esto quiere decir que en la Guajira está el 19,2% del total de familias a nivel nacional que no cuentan con el servicio de energía [4]. Considerando que conseguir la cobertura total del servicio público de energía eléctrica en La Guajira es difícil, actualmente su cobertura es aproximadamente del 60%, como se establece en el informe nacional de competitividad 2020-2021. También se puede encontrar en el informe que es el departamento con mayor número de viviendas que no cuentan con conexión a redes eléctricas, la cifra corresponde a 81.960, seguido del departamento de Nariño con una cifra de 36.264, en tercer lugar, Cauca con 32.275 y por último Chocó con 29.559 [5]. Ahora bien, la energía es importante para el crecimiento tanto de una pequeña comunidad, como la de un país, es una necesidad primaria para el progreso económico y social, el acceso a tener un servicio público como lo es electricidad permite el desarrollo y contribuye a mejorar la calidad de vida de las personas. En este sentido, sobre las energías renovables se puede decir que sirven como una importante estrategia para generar energía gracias a lo limpias que son ya que no emiten gases de efecto invernadero, también permiten la descentralización de los sistemas de generación de potencia para países en vías de desarrollo, como Colombia, teniendo en cuenta que, esta tecnología no es de fácil acceso ya que sus costos pueden llegar a ser elevados, sin embargo, un marco legal estable, claro y bien difundido por parte del gobierno, el uso de esta tecnología puede llegar a alcanzar importancia para el desarrollo del país. Como se afirmó anteriormente, la energía es un factor relevante para el desarrollo humano, ya que su acceso les permite a las personas poder tener una mejor calidad de vida, educación, salud. Es una necesidad fundamental para que puedan tener condiciones de vida dignas. Por tanto, en Colombia, la Constitución Política de 1991 establece el Estado Social de Derecho, bajo esta orden, se debe asegurar la prestación eficiente de los servicios públicos a todos los habitantes del territorio nacional con el objetivo de lograr su desempeño económico y social. Se debe agregar que la forma de cobertura de energía eléctrica en Colombia se da de dos maneras. Primero, está el sistema interconectado, que está compuesto por plantas de generación que son despachadas hacia todo el territorio nacional conectado a redes de transmisión, que permiten llevar la energía producida a la mayoría del país, y también están las zonas no interconectadas, que se caracterizan por tener poca población que son lugares de difícil acceso que son catalogados como territorios de reserva natural y donde la mayoría de su población son indígenas o afrodescendientes [6]. Por consiguiente, el aprovechamiento de los recursos renovables puede ser una alternativa muy viable para dar respuesta a estas necesidades. Los sistemas de energía hibrida pueden generar electricidad con dos o más fuentes de origen renovable. Con la alternativa de la implementación de un diseño de un sistema híbrido a partir de fuentes renovables de energía, como el sol y el viento, se quiere dar a conocer que con la combinación de ambas se puede obtener una producción de energía eléctrica suficiente para una zona vulnerable del país y también dando una solución a la problemática del difícil acceso que tienen a estos recursos energéticos. En coherencia con lo expuesto, en este trabajo se establece una alternativa en la que los sistemas híbridos sean una fuente de energía para contribuir y mejorar la calidad de vida de los habitantes del corregimiento de Nazareth del municipio ubicado en el municipio de Uribía, La Guajira. De manera los objetivos trazados en esta investigación son: Determinar la demanda de energía eléctrica de la muestra de viviendas del corregimiento Nazareth del municipio de Uribía, La Guajira. Establecer los parámetros necesarios del diseño para la producción de energía del sistema híbrido para la muestra establecida. Diseñar el sistema para el abastecimiento de electricidad con las energías renovables. Realizar la evaluación económica del proyecto para la instalación del sistema híbrido. El presente documento está compuesto por cinco ítems, donde el segundo presenta un marco de referencia que detalla el estado del arte y el soporte teórico que sustentó la investigación. Posteriormente se describen los aspectos metodológicos que contienen el procedimiento utilizado para lograr los objetivos. Así mismo, el cuarto ítem describe los resultados y hallazgos obtenidos y finalmente, el último apartado hace referencia a las conclusiones derivadas del trabajo investigativo. II. MARCO DE REFERENCIA A. Estado del arte A continuación, se presentan investigaciones que se han realizado acerca de la temática del proyecto, tanto en Colombia, como otros países. Sirva como modelo, el proyecto de diseño de un sistema híbrido eólico solar para el bombeo de agua potable, que tuvo como objetivo cubrir las necesidades hídricas de unas veredas en el departamento de Risaralda. Pero durante su estudio se concluyó que la ubicación que eligieron no contaba con la suficiente potencia eólica, por ende, los aerogeneradores no iban a funcionar de manera correcta. Así que decidieron que su sistema solo iba a llevarse a cabo con paneles fotovoltaicos, ya que esta si contaba con la potencia solar suficiente [7]. Así mismo, tomando como referente, el proyecto Propuesta de un Sistema Híbrido Eólico – Fotovoltaico, que quería obtener como resultado la instalación de un sistema híbrido Eólico en el Hotel Islazul ̈Santa Clara Libre ̈ de la provincia de Villa Clara, Cuba. En el cual se busca lograr disminuir la cantidad de energía eléctrica tradicional utilizada y crear una estrategia de reducción de las emisiones de carbono, el incremento e integración de las fuentes renovables a la red existente y la mejora de la eficiencia energética, por esto se cree que el uso de más de una tecnología alternativa aumentará en el mundo. Al contrario del proyecto anteriormente mencionado, no se aprovecha el recurso solar debido al poco espacio en el techo del hotel, pero si presenta buenas condiciones para el sistema eólico. Cabe mencionar que este sistema solo cubre el 5% del consumo energético del hotel [8]. Mientras tanto, en el proyecto de Caracterización de Sistemas de Energía Solar Fotovoltaica en una Región Colombiana obtuvieron que en esta ubicación hay alrededor de 40 sistemas que están funcionando, mayormente son aislados y a una pequeña escala. Hay que mencionar también que después de utilizar algunos recursos solares en el departamento, los usuarios concluyeron que son una muy buena alternativa para la producción de energía, cada vez más viable económicamente y asequible para diferentes clases sociales. También es una solución muy innovadora, especialmente para ubicaciones remotas [9]. Siguiendo con el tema, en el trabajo de investigación Diseño de un Sistema Eléctrico Híbrido para una vivienda residencial, este tuvo como finalidad, presentar una alternativa de diseño, de un sistema eléctrico híbrido para una vivienda residencial, con el objetivo es de suministrar de energía eléctrica con paneles fotovoltaicos, para diversos circuitos de la vivienda aislada del suministro eléctrico público. Adecuando un sistema de control para la maniobra y mediciones de la energía suministrada. Todo esto con el fin de mostrar la importancia de utilizar otras formas de energías que ayuden a la sostenibilidad y sobre todo a la mejora de vida de las personas [10]. B. Marco teórico Se define como sistema hibrido a aquel que usa la combinación de varias fuentes de energía, en la cual normalmente son renovables como los módulos fotovoltaicos, turbinas eólicas, generadores diésel, etc. Este sistema puede proporcionar energía de manera confiable a hogares, granjas y comunidades grandes [11]. Acerca del uso de energías renovables, esta ha sido una solución favorable para cambiar algunos patrones que han estado durante mucho tiempo y han perjudicado al medio ambiente, convirtiéndose así en una solución para combatir la problemática que generan los combustibles fósiles. Hay que mencionar, además que los sistemas híbridos cuentan con la capacidad para abastecer de energía a sistemas aislados o conectados a la red, maximizando la disponibilidad de energía debido a la complementariedad de los recursos. Así mismo, dependiendo de los recursos que ofrezca la zona en la cual se plantea la instalación será la combinación de estas fuentes energéticas, y la conexión va a depender de la ubicación de redes eléctricas, niveles de tensión, y la distancia que separa el sistema que se desea abastecer de energía [12] 1. Ventajas y desventajas de sistemas híbridos Una de las grandes ventajas que tiene este sistema es la posibilidad de aprovechar y optimizar los recursos sustentables, para así garantizar eficiencia, calidad, confiabilidad, optimización y además de proteger el medio ambiente. Por otra parte, los sistemas híbridos pueden ser vistos como una solución muy viable para el abastecimiento de energía en lugares aislados o que no estén interconectados. De hecho, anteriormente solo se usaban generadores diésel, pero su eficiencia no es suficiente para el funcionamiento operativo de baja carga, el mantenimiento resultaba costoso y el tiempo de vida útil era muy bajo. Mientras que los sistemas híbridos permiten reducir estas problemáticas y utilizar los recursos renovables existentes aprovechándolos al máximo, convirtiéndose así en una opción factible y favorable ambiental y socialmente [13]. Sin embargo, las condiciones meteorológicas se consideran impredecibles y los sistemas híbridos no se pueden utilizar como fuente de energía principal para situaciones críticas. Además, si el sistema no alcanza a generar suficiente energía, la batería no se cargará por completo en un período de tiempo conveniente. Por lo contrario, si se genera demasiada energía, el exceso de energía se desperdiciará. Además, el costo de inversión inicial sigue siendo costoso [14]. 2. Energía Fotovoltaica Se define como energía fotovoltaica al conjunto de elementos que permitan suministrar electricidad para cubrir las necesidades a partir de a partir de una fuente renovable e inagotable como lo es el sol. Este sistema se constituye por unos componentes básicos como lo son los módulos fotovoltaicos y sus estructuras, convertidor, regulador, baterías eléctricas. La energía solar fotovoltaica es similar a un sistema de conversión directa en que los fotones de la radiación solar interactúan directamente con los electrones en el colector solar fotovoltaico para producir el efecto fotovoltaico, y en él se genera una corriente eléctrica. Los elementos básicos de esta forma de conversión directa de energía son las llamadas células solares, que se utilizan para construir paneles o módulos solares que proporcionan una valiosa corriente eléctrica que depende de la energía del sol que incide sobre su superficie [15]. 3. Energía Eólica Esta energía se obtiene a través del viento, utilizando este recurso para producir energía por el efecto de las corrientes de aire, ya que está en constante movimiento en la atmosfera hacia zonas de menor presión, su dirección y velocidad van a depender del gradiente [16]. La energía obtenida por este sistema se da a través de un rotor de un aerogenerador, encargándose este de darle la dirección al viento en la parte frontal y así se puedan minimizar las turbulencias, en un movimiento que influye la velocidad que tenga el viento de manera rotativa e impulsa a la transformación como se había mencionado [17]. 4. Componentes del Sistema Híbrido 1. Paneles Fotovoltaicos: Los módulos fotovoltaicos son dispositivos semiconductores que permiten convertir la luz solar en energía eléctrica. A su vez están conformados por células solares que están hechas a base de silicio, estas cumplen la función de batería, la luz solar que se recibe separa los electrones de manera que se forma una capa de carga positiva y negativa en estas células, esto hace que se genere corrientes eléctricas [18]. En lo que se refiere a la instalación de placas solares en un sistema hibrido, este ayuda a disminuir la necesidad de sobredimensionar el generador fotovoltaico para que se pueda lograr la autonomía del sistema, sobre todo para complementar los diferentes tipos de energía que pueden utilizarse, ya que esto mejora el uso y funcionamiento [19]. 2. Aerogeneradores: Son máquinas que se utilizan para obtener electricidad por medio de la energía cinética del viento. Además, su clasificación es según la orientación que tengan las palas, ya sea en las de eje horizontal o vertical, y los aerogeneradores más utilizados y que tienen más eficiencia son los de eje horizontal. [20]. Las góndolas se ubican sobre una torre ya que la velocidad de los vientos va aumentando por la altura. Se debe agregar que su ubicación sea alejada donde no tenga obstáculos como árboles, edificios, diferentes infraestructuras que no permitan la correcta circulación del viento, debe ser un lugar donde se pueda generar turbulencias en el aire y haya intensidades regulares en el viento para que tenga un buen rendimiento y su funcionamiento sea óptimo. En cuanto a la combinación de la turbina eólica con otras fuentes de energía en el sistema hibrido, la producción de energía eléctrica puede mejorar el rendimiento y los costos del sistema. Además, en muchas regiones la unión entre la velocidad del viento y los altos niveles de radiación se llegan a complementar entre sí, permitiendo así un mejor desarrollo del sistema [19]. 3. Reguladores de Carga: Dentro de un sistema hibrido, los controladores se utilizan solamente para los aerogeneradores, con el fin de controlar y proteger el funcionamiento, sus principales funciones son de regular la carga, evitando una sobrecarga y desconexión de la carga con el fin de prevenir descargas excesivas, y así se pueda optimizar su velocidad [12]. Estos reguladores protegen y brindan a los aerogeneradores una mayor confiabilidad y seguridad durante su operación. 4. Baterías: Se encargan de almacenar energía para que la carga pueda operar cuando los propios aerogeneradores o paneles solares no puedan producir la energía suficiente para abastecer el consumo [21]. 5. Inversores: Es un dispositivo que permite el uso de redes eléctricas convencionales y transforma las corrientes continuas en alternas, al mismo tiempo se encargan de almacenar y descargar la energía que se obtuvo en los módulos solares en las baterías [7]. III. METODOLOGÍA Esta investigación aplicada busca producir conocimiento a partir de la aplicación directa de conocimientos en un contexto para mejorarlo o transformarlo; de esta manera, este tipo de investigación expone una conexión entre el conocimiento científico y el entramado de la sociedad [22]. En concordancia con lo anterior, este proyecto corresponde a una investigación aplicada, ya que se genera una solución a la problemática de energía en el corregimiento de Nazareth (La Guajira). Dicha comunidad, objeto de estudio estuvo conformada por 20 viviendas, muestra que se estimó a conveniencia de los investigadores, teniendo en cuenta limitaciones de tiempo, terreno y disposición y acceso de información. Además, el proyecto siguió un diseño de fuente mixta por cuanto se recogió información mediante fuentes documentales procedentes de artículos de bases de datos como Scopus, Redalyc y Google académico, así como tesis y libros y un trabajo de campo que implicó observaciones y entrevistas para estimar la necesidad energética del corregimiento, cantidad de habitantes, terreno, condiciones, distancias, entre otros. Así mismo, teniendo en cuenta las técnicas de recolección de datos, la investigación tiene un enfoque cualitativo puesto que se analizaron palabras, textos, gráficos, imágenes que dieron respuesta al propósito de esta investigación. En cuanto al procedimiento, la presente investigación se llevó a cabo a partir del desarrollo de unas etapas, luego de hacer una revisión de la literatura relacionada con los sistemas híbridos para estructurar el marco referencial de la propuesta. La primera etapa corresponde a la determinación de energía eléctrica, la segunda establecer los parámetros necesarios para la realización del diseño, el tercero corresponde al diseño del sistema, y por último realizar la evaluación económica. (Ver imagen 1). Imagen 1. Esquema de desarrollo de objetivos de la investigación. Fuente: elaboración propia. Para empezar, se identificó el problema o la necesidad que se necesitaba abordar. En este caso, se trató de la necesidad de generar energía eléctrica de manera sostenible y eficiente en una determinada zona. También se realizó una revisión de la literatura existente sobre sistemas híbridos eólico-solares de generación de energía. Esto incluye estudios sobre el recurso eólico y solar en la zona, así como la evaluación de tecnologías y componentes para la implementación del sistema. Por lo tanto, se seleccionó una zona geográfica específica para la implementación del sistema híbrido eólico-solar. Esta selección se basa en factores como la disponibilidad de recursos naturales, la demanda de energía y las condiciones climáticas. Además, se realizó un diseño detallado del sistema híbrido eólico- solar, incluyendo la selección de componentes y la integración del sistema en su conjunto. Y por último se realizó una evaluación de la viabilidad técnica y financiera del sistema. IV. RESULTADOS A. Demanda energética de la muestra Nazareth es un corregimiento que se encuentra ubicado en el extremo norte de Colombia, dentro del municipio de Uribia, correspondiente al departamento de La Guajira. Geográficamente, se encuentra en una posición destacada, en el extremo norte del país, a unos 11km de la costa del Mar Caribe (ver imagen 2) y aproximadamente se distancia de Riohacha en unos 266 kilómetros. Imagen 2. Ubicación geográfica del Corregimiento de Nazareth Fuente: Google sites En su mayor parte, Nazareth es habitado por indígenas de la comunidad Wayúu y su terreno montañoso constituye un ecosistema especial que le otorga características potenciales para el desarrollo del eco y el etnoturismo. Aproximadamente el Corregimiento posee 6000 habitantes, los cuales viven en condiciones de pobreza extrema y con muy pocos recursos, dentro de los cuales está el energético, el cual sólo se encuentra disponible por 5 horas al día, siendo poco suficientes para para cumplir con las necesidades básicas de una persona. Para estimar la demanda energética de la comunidad objeto de estudio, se tomaron los datos de consumo de energía de los últimos seis meses, facturados por la empresa prestadora del servicio, obteniéndose como resultado un promedio mensual de 76.6 kwh por vivienda (ver tabla 1). Este dato se encuentra muy por debajo del umbral de subsistencia de una comunidad indígena en La Guajira, el cual es de 173 kwh/mes [23]. Tabla 1. Consumo mensual de energía de la muestra Fuente: elaboración propia. Como se indicó en el apartado anterior, para este estudio se seleccionaron cuidadosamente 20 casas del corregimiento de Nazareth, teniendo en cuenta las limitaciones del terreno y el alcance del estudio. Los resultados obtenidos de estas casas proporcionan una visión representativa de la necesidad principal a mejorar: la implementación de un sistema híbrido de generación de energía. En concordancia con lo anterior, el consumo total de electricidad de la muestra es igual al producto entre el consumo promedio por vivienda y el total de viviendas que conforman la muestra. 76.6 kwh/mes * 20 viviendas =1532 kwh/mes (total para la muestra) Con la información recopilada, el diseño del sistema hibrido-eólico solar tiene como finalidad la generación de fluido eléctrico a 20 hogares del corregimiento, beneficiando ampliamente a estas viviendas, otorgándoles energía eléctrica independiente, lo que mejora las condiciones de vida de aproximadamente 100 habitantes, teniendo en cuenta el promedio de habitantes por vivienda. B. Parámetros de diseño del sistema En cuanto a los parámetros necesarios para la realización del proyecto, el primero sería conocer el recurso eólico y solar en el corregimiento de Nazareth, ubicado en La Guajira. Según estudios, presenta altas velocidades de viento que pueden ser aprovechadas para la generación de energía eólica. Además, cuenta con una alta radiación solar, lo que la convierte en un lugar adecuado para la generación de energía solar [24]. Nazareth se encuentra en una latitud de 12°11'4,272''N y una longitud de 71°17'20,459''W, con una altitud de 10 metros sobre el nivel del mar. Estas coordenadas geográficas son útiles para obtener información sobre el potencial de energía eólica y solar del área utilizando la base de datos atmosférica de la NASA [25]. Igualmente, se hace necesario tener en cuenta que la velocidad anual promedio del viento es de 6,21m/s y que el potencial de radiación solar es de más 6,5kWh/m2/día [26]. La cantidad de energía que puede generar un panel solar depende de varios factores, como la potencia nominal del panel, la eficiencia del panel, la cantidad de luz solar que recibe y las condiciones climáticas del lugar donde está instalado. Por ejemplo, un panel solar de 250 0 300 vatios, instalado en un lugar donde recibe aproximadamente 5 horas diarias de luz solar directa, puede generar alrededor de 1.5 kWh de energía eléctrica por día y alrededor de 45 a 60 kWh por mes [27]. Para determinar la cantidad de paneles solares necesarios para las 20 casas que consumen en total 1532 kwh/mes, es necesario tener en cuenta que un panel solar de 300 vatios instalado en un lugar con buena radiación solar puede generar alrededor de 45 a 60 kWh por mes. Sin embargo, para no ser tan estrictos y conservar parámetros de tolerancia se toma como valor para el cálculo, el promedio según los valores en que se mueve el rango, obteniéndose que en promedio un panel genera 53 kWh/mes. Teniendo en cuenta lo anterior, para generar 1532 kWh de energía al mes, se necesitan: 1532𝑘𝑤ℎ/𝑚𝑒𝑠 ÷ 53𝑘𝑤ℎ/𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙/𝑚𝑒𝑠 = 28.9 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 Como no se puede instalar una fracción de un panel solar, se debe redondear a la cantidad entera más cercana. En este caso, se necesitan al menos 29 paneles solares para abastecer las necesidades energéticas de las 20 casas. Por otro lado, con una velocidad media del viento de 6,2 m/s como ocurre en Nazareth, se generará 1,2 GWh/año = 1.200.000 kWh al año. Esto equivale a una generación promedio de alrededor de 100 kWh por mes. [28] Para abastecer el consumo eléctrico mensual de las 20 casas (1970 kWh/mes), se requieren: 1532 𝑘𝑤ℎ 𝑚𝑒𝑠 ÷ 100𝑘𝑤ℎ 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑠 = 15,3 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 Dado que no es posible instalar una fracción de un aerogenerador, se debe redondear a la cantidad entera más cercana. En este caso, se necesitarían al menos 16 aerogeneradores para abastecer las necesidades energéticas de la muestra. C. Sistema híbrido propuesto Para una posible implementación del sistema híbrido para la generación de energía en la muestra seleccionada, se seleccionó cuidadosamente el terreno, señalado con un recuadro rojo, que abarca aproximadamente 26 kilómetros cuadrados (ver imagen 3). Esta elección se basó en varios factores y consideraciones estratégicas. En primer lugar, el terreno seleccionado cuenta con características geográficas favorables para la implementación del sistema híbrido de generación de energía. Se encuentra en una ubicación que permite aprovechar eficientemente los recursos naturales disponibles, como la radiación solar y los vientos predominantes en la zona. Esta condición es esencial para lograr un máximo rendimiento y eficiencia en la generación de energía renovable. Imagen 3. Ubicación del sistema hibrido. Fuente: Google Maps. Otro aspecto importante de consideración es la distancia entre el terreno seleccionado para la instalación del sistema y las casas que hacen parte de la muestra, la cual es de 30 km (ver imagen 4). Imagen 4. Distancia del sistema y las casas. Fuente: Google Maps. Igualmente, para tener una idea más precisa sobre el sistema híbrido propuesto, se realizó una maqueta que ilustra el montaje del sistema y que indica la ubicación de los paneles solares, los reguladores de carga, los aerogeneradores, las baterías y los inversores. La figura 5, muestra de manera clara y precisa la estructura del sistema y su disposición en el terreno seleccionado para su instalación. Imagen 5. Montaje del sistema. Fuente: elaboración propia El sistema hibrido finalmente beneficiaria 20 casas del corregimiento, cuyas condiciones actuales de terreno, estado de vías y de viviendas, se aprecian en la imagen 6. Imagen 6. Cuadra integrada por las viviendas de la muestra Fuente: registro fotográfico de los investigadores D. Evaluación económica del sistema híbrido Para la evaluación económica de un proyecto de energía renovable, como el uso de paneles solares o turbinas eólicas, se hizo necesario considerar los costos y los beneficios del proyecto en el tiempo. Costos Costo de instalación de los paneles solares o turbinas eólicas: 5 Inversor 4’200.000,00 20 Placas solares 12’000.000,00 3 Regulador 1’100.000,00 10 Baterías 8’800.000,00 2 Gabinetes control energía 700.000,00 10 Soportes de paneles 600.000,00 -Tableros de conexión -Soporte de fijación -Mano de obra y supervisión -Prueba y puesta en marcha 12’000.000,00 Costo de conexión a la red eléctrica: 4 rollos Conductores 3’200.000,00 Diodos rectificadores 200.000,00 Luminarias áreas comunes 1’400.000,00 Costo de mantenimiento y reparación de los equipos: 1’500.00,00 mensuales Beneficios del proyecto • Ahorro en costos de energía eléctrica a largo plazo. • Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. • Incremento del valor de la propiedad al agregar un sistema de energía renovable. Seguidamente, se realizó el cálculo del retorno de inversión del proyecto: Calculo del retorno de inversión del proyecto en 2 años ROI = (Beneficio Neto - Costo Inicial de la Inversión) / Costo Inicial de la Inversión * 100 Sustituyendo los valores: ROI = ($49'920.000 - $50'000.000,00) / $50'000.000,00 * 100 ROI = ($4'120.000,00) / $50'000.000,00 * 100 ROI = 0,0824% El resultado del cálculo es 8,24%. Un ROI positivo indica que el proyecto tiene capacidad de recuperación de la inversión inicial y está generando ganancias de instalación, conexión y mantenimiento. Es importante que se halle el ahorro de energía eléctrica durante un período de tiempo, teniendo en cuenta la tarifa actual de energía eléctrica y el promedio de consumo de energía por mes de cada una de las 20 casas utilizando los 29 paneles. Igualmente, se debe calcular el período de tiempo necesario para recuperar la inversión incial a través del ahorro en los costos de energía eléctrica, comparar el retorno de inversión con la tasa de interés del mercado y evaluar la capacidad de pago de las personas que viven en las 20 casas para determinar si pueden asumir los costos iniciales del proyecto. En general, un proyecto de energía renovable como el uso de paneles solares o turbinas eólicas puede ser rentable a largo plazo, especialmente si se tiene en cuenta el ahorro de costos de energía a largo plazo y la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, es importante evaluar cuidadosamente los costos y beneficios del proyecto antes de tomar una decisión. V. CONCLUSIONES Después de realizar el proyecto de un sistema híbrido eólico-solar de generación de energía, se puede concluir que esta tecnología representa una solución eficiente, sostenible y rentable para abastecer la demanda energética en el corregimiento de Nazareth, considerada una zona desconectada de la red eléctrica convencional. A través de la evaluación de la demanda energética y del recurso eólico y solar disponible en la zona, se pudo diseñar un sistema híbrido que combina la energía generada por los aerogeneradores y los paneles solares para garantizar un suministro constante y confiable de energía eléctrica. Además, se evaluó la viabilidad financiera del sistema, lo que permitió determinar que la implementación de esta tecnología puede generar ahorros significativos en la factura de energía eléctrica a largo plazo y reducir la emisión de gases de efecto invernadero. En conclusión, el diseño e implementación de un sistema híbrido eólico-solar representa una alternativa viable y sostenible para abastecer la demanda energética en el corregimiento, garantizando un suministro constante y confiable de energía eléctrica a la vez que se contribuye a la protección del medio ambiente. Es importante tener en cuenta que este estudio inicial servirá como punto de partida y puede sentar las bases para futuras investigaciones y proyectos más amplios en el corregimiento de Nazareth. REFERENCIAS [1]France 24. (18 de noviembre de 2021). El Debate - ¿Cómo enfrenta el mundo la actual crisis energética? https://www.france24.com/es/programas/el-debate/20211118- crisis-energia-carbon-combustible-fosil-electricidad [2]Foster, S. y Elzinga, D. (s. f.). El papel de los combustibles fósiles en un sistema energético sostenible. Naciones Unidas. https://www.un.org/es/chronicle/article/el-papel-de-los- combustibles-fosiles-en-un-sistema-energetico-sostenible [3]J. Vivas. 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