Doctorado en Ingeniería · 2022
Modelo técnico, económico y financiero asequible en sistemas energéticos, basado en microrredes de fuentes renovables para la electrificación rural
Colombia y el mundo se encuentran en la búsqueda de soluciones y estrategias que permitan alcanzar la universalización de la energía, en especial para aquellas comunidades de bajos ingresos y alta vulnerabilidad. En Colombia existen alrededor de 500,000 familias sin servicio de energía eléctrica, lo cual limita su desarrollo económico y productivo, así como su calidad de vida. Con las estrategias actuales, el país pronostica alcanzar este objetivo en un periodo de 50 años, lo cual retrasará al país medio siglo más. Las fuentes renovables de energía han sido una iniciativa muy eficiente para la energización de zonas rurales aisladas. A nivel nacional existe un gran potencial en este tipo de fuentes en especial en zonas no interconectadas, no obstante, la inversión en estos sistemas sigue siendo muy poco asequible para comunidades pobres de países en vía de desarrollo. Una de las barreras que limitan el acceso son la ausencia de esquemas administrativos y financieros que permitan la auto sostenibilidad de los proyectos en sus cuatro dimensiones (técnica, social, ambiental y económico financiera). En especial los esquemas financieros son los menos valorados en la formulación de este tipo de proyectos. El proyecto de investigación doctoral realizó el diseño un modelo técnico, económico y financiero asequible en sistemas energéticos basado en Microrredes de fuentes renovables para la electrificación rural a través de una investigación cuantitativa de alcance correlacional, no experimental, mediante un caso de estudio en una población del Pacífico colombiano caracterizada como zona no interconectada. El desarrollo de la investigación implicó la programación de un modelo de optimización estocástico para el dimensionamiento y la operación del sistema de generación incluyendo patrones de consumo y un amplio perfil de la demanda. La comunidad de La Plata es un asentamiento que se encuentran en una importante condición de vulnerabilidad debido a sus altos índices de pobreza multidimensional (42.01%) y pobreza monetaria (75%). La ampliación de la cobertura de energía a través de un sistema de generación impactaría de manera positiva las actividades principales de los habitantes, aumentando su productividad e ingresos. El proyecto podría realizarse a través de la implementación de un modelo financiero que sufrague un sistema de generación solar individual o una microrred a través de los modelos de ventanilla única y PAYGo, los cuales han resultado más asequibles en términos técnicos, económico financieros, ambientales y sociales.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 21
- INVESTIGACIÓNp. 23
- PROBLEMA DE INVESTIGACIÓNp. 24
- PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓNp. 27
- HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓNp. 28
- Hipótesis principalp. 28
- Hipótesis alternativasp. 28
- JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓNp. 24
- OBJETIVOS DE LA TESISp. 33
- OBJETIVO GENERALp. 33
- OBJETIVOS ESPECÍFICOSp. 33
- MARCO REFERENCIALp. 34
- MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUALp. 34
- Zonas No Interconectadas en Colombiap. 34
- Pobreza Energéticap. 36
- Energía Renovable (ER)p. 36
- Tipos de Generaciónp. 38
- Modelos Técnico-económicosp. 41
- Sostenibilidad, energización, productividad y emprendimientop. 46
- Índice de pobreza multidimensional (IPM)p. 47
- Modelo Financierop. 51
- Microfinanzas o Microcréditosp. 52
- Asociaciones Público-Privadas (APP)p. 52
- Productos bancariosp. 52
- Incentivos tributariosp. 53
- Recursos de la nación y sector privadop. 54
- ESTADO DEL ARTEp. 23
- Estado del arte modelos técnico – económicosp. 55
- Estado del arte modelos financieros de electrificación ruralp. 65
- MARCO NORMATIVOp. 23
- MARCO CONTEXTUALp. 81
- Contexto Colombiano en la ERp. 81
- Zonas rurales aisladas y zonas no interconectadasp. 82
- METODOLOGÍAp. 23
- ENFOQUE Y TIPO DE INVESTIGACIÓNp. 85
- TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓNp. 87
- POBLACIÓN/UNIVERSO Y MUESTRAp. 88
- FASES DE LA INVESTIGACIÓNp. 88
- ACTIVIDADES INVESTIGATIVAS REALIZADASp. 89
- Actividad Nº1p. 90
- Actividad Nº2p. 92
- Actividad Nº3p. 92
- Actividad Nº4p. 93
- Actividad Nº5p. 93
- Actividad Nº6p. 94
- Actividad Nº7p. 94
- Actividad Nº8p. 95
- RESULTADOSp. 23
- Ubicación geográficap. 98
- Información socio-demográficap. 99
- Conformación socio-políticap. 102
- Caracterización energética básicap. 104
- Caracterización económico-productivap. 108
- Servicios públicosp. 112
- Caracterización TICp. 114
- Caracterización ambientalp. 116
- Caracterización culturalp. 118
- MODELO TÉCNICO DEL SISTEMA DE GENERACIÓNp. 121
- Caracterización de la generación de energíap. 121
- Caracterización de la demanda de energíap. 126
- Variables del modelo para el dimensionamiento y operaciónp. 131
- Modelo de optimización estocásticop. 91
- Topología de la redp. 150
- Monitoreo y control del sistemap. 158
- IMPACTO DEL SISTEMA DE GENERACIÓNp. 160
- Indicadores socio-económicosp. 160
- Indicadores productivosp. 174
- MODELO FINANCIEROp. 51
- Modelos financieros para mantenimiento y pago del sistemap. 179
- Integración de los criterios analizadosp. 206
- DISCUSIÓN DE RESULTADOSp. 210
- CONCLUSIONESp. 23
- RECOMENDACIONESp. 23
- REFERENCIASp. 23
- 10. ANEXOSp. 23
- ANEXO 1 INSTRUMENTO ECUESTA 1p. 239
- ANEXO 2 INSTRUMENTO ENCUESTA 2p. 239
- ANEXO 3 SIMULACIÓN FINANCIERAp. 239
- ANEXO 4 PROPUESTA CENTRO DE ACOPIOp. 239
- Tabla 1. Caracterización de las ZNI en Colombiap. 35
- Tabla 3. IPM Buenaventura – Valle del Caucap. 50
- Tabla 5. Búsquedas realizadasp. 56
- Tabla 6. Criterios de inclusión y exclusiónp. 57
- Tabla 7. Artículos resultados de la RSL. Tipo A: Artículo; AR: Artículo de revisiónp. 57
- Tabla 8. Enfoques en modelos financieros a nivel nacionalp. 69
- Tabla 9. Enfoques en Modelos Financieros – Internacionalp. 70
- Tabla 10 Plazos de los prestamos: pros y contrasp. 77
- Tabla 11. Costo de inversión inicial para sistemas solares individuales ZNIp. 80
- Tabla 12. Tipos o enfoques de investigación de la tesisp. 85
- Tabla 13. Población y muestra de la investigaciónp. 88
- las fases y los resultados obtenidosp. 89
- Tabla 15. Características de los hogares de La Platap. 100
- Tabla 16. Temas que tratan en la comunidadp. 102
- Tabla 17. Quienes toman las decisiones en la comunidadp. 103
- Tabla 18. Ocupación múltiple de los aportantes en el hogarp. 109
- Tabla 19. ¿Cómo eliminan principalmente la basura en esta vivienda?p. 113
- Tabla 20. ¿Para cuáles de las siguientes actividades usa el computador?p. 115
- solar centralizado en La Plata – Bahía Málagap. 117
- Tabla 24. Potencia instalada y efectiva total en La Platap. 129
- Tabla 25. Escenarios de carga y demanda diaria por vivienda – La Platap. 130
- Tabla 26. Análisis de sensibilidad para las diferentes restriccionesp. 140
- Tabla 29. Paneles solares FV comerciales utilizados para el dimensionamientop. 151
- Tabla 30. Baterías solares comerciales utilizadas para el dimensionamientop. 152
- Tabla 31. Inversores solares comerciales utilizados para el dimensionamientop. 153
- Tabla 32. Reguladores solares comerciales utilizados para el dimensionamientop. 153
- Tabla 33. Dimensionado para sistemas solares individuales (SSI) en La Platap. 153
- los habitantes de La Platap. 173
- Tabla 36. Costo sistema solar individual escenario bajo – La Platap. 181
- Tabla 37. Costo sistema solar individual escenario medio – La Platap. 182
- Tabla 38. Costo sistema solar individual escenario alto – La Platap. 183
- Tabla 39. Resumen de resultados simulación financiera, por usuario – Modelo 1p. 184
- Tabla 40. Flujo de egresos Modelo 1 – SSI escenario bajop. 187
- Tabla 41. Cálculo del 𝐆𝐈𝟎 , 𝐆𝐀𝐎𝐌, 𝐆𝟎 𝐲 𝐆𝐦 – primeros 5 años – SSI escenario bajop. 188
- SSI escenario bajop. 189
- baterías – SSI escenario bajop. 190
- tarifario 𝐂𝐔𝐦, mensual – SSI escenario bajo – La Platap. 190
- Tabla 46. Flujo de caja del inversionista – Modelo 1 escenario bajop. 192
- Tabla 48. Resumen de resultados simulación financiera por usuario – Modelo 2p. 195
- Tabla 49. Flujo de egresos del proyecto – Modelo 2 – SSI escenario bajop. 196
- SSI escenario bajo – Modelo 2p. 197
- Tabla 51. Tarifas modelo financiero 2 PAYGo, para los tres tipos de escenariosp. 197
- 4% interésp. 198
- Tabla 54. Comparativo tarifas del 4% y 6% de interés – Modelo financiero 2p. 199
- 6% interésp. 199
- Tabla 56. Inversión en equipos y materiales para la microrredp. 201
- Tabla 57. Inversión inicial para instalar microrredp. 202
- microrred – Modelo 3p. 202
- Tabla 59. Flujo de egresos y cuota de crédito – Modelo 3p. 203
- Tabla 60. Inversión inicial microrred – Modelo financiero 4p. 205
- Tabla 61. Flujo de egresos – Modelo 4p. 206
- Tabla 62. Método de factores ponderados – calificación de expertosp. 207
- Tabla 63. Método de factores ponderados – ponderaciónp. 207
- Tabla 64. Método de factores ponderados – resultadop. 208
- Tabla 65. Método de factores ponderados – opinión de expertosp. 208
- Tabla 66. Cuadro comparativo de resultados modelos financierosp. 212
- Tabla 67. Ventajas y desventajas del modelo financiero 1. Modelo de ventanilla únicap. 216
- Tabla 68. Ventajas y desventajas del modelo financiero 2. Modelo PAYGop. 217
- la comunidadp. 208
- Eq 1p. 131
- Eq 2p. 131
- Eq 3p. 132
- Eq 4p. 132
- Eq 5p. 132
- Eq 6 SOC [kWh]p. 133
- Eq 7 Máximo SOC dependiendo de las características de las baterías [kWh]p. 133
- Eq 8 Potencia de descarga [kW]p. 133
- Eq 9 Potencia de carga [kW]p. 133
- Eq 10 Potencia suministrada por el sistema solar FV cada t hora en cada j escenariop. 133
- Eq 11 Potencia entregada por la planta diésel cada t hora en cada j escenariop. 134
- Eq 12 Potencia suministrada por el banco de baterías, cada t hora en cada j escenariop. 134
- Eq 13p. 134
- Eq 14p. 134
- Eq 15 Número de panelesp. 135
- Eq 16 Potencia máxima de cargap. 136
- Eq 17 Potencia máxima de descargap. 136
- Eq 18 Máxima energía en bateríasp. 136
- Eq 19 Relación de cargap. 136
- Eq 20 Relación de descargap. 136
- Eq 21 Potencia de la bateríap. 136
- Eq 22 Energía inicialp. 137
- Eq 23 Energía finalp. 137
- Eq 24 Límite de combustiblep. 137
- Eq 25p. 137
- Eq 26p. 137
- Eq 27p. 138
- Eq 28p. 138
- Eq 29p. 138
- Eq 30p. 151
- Eq 31p. 151
- Eq 32p. 152
- Eq 33p. 152
- Eq 34p. 152
- Eq 35p. 153
- Eq 36p. 153
- Eq 37p. 156
- Eq 38p. 156
- Eq 39p. 157
- Eq 40p. 157
- Eq 41p. 185
- Eq 42p. 186
- Eq 43p. 186
- Eq 44p. 186
- Eq 45p. 189
- Eq 46p. 189
- Figura 1. Estructura de la tesis doctoralp. 23
- Figura 2. Árbol de problemasp. 27
- Figura 3. Participación porcentual de fuentes de energía en Colombia - 2018p. 29
- Figura 4. Matriz energética colombianap. 29
- (Puntos rojo), sin información (punto negro)p. 35
- Figura 6. PIEC 2016-2020p. 36
- Figura 7. Capacidades de energía renovable en el mundo. Los 10 países líderesp. 37
- Figura 9. Configuración de una turbina eólicap. 39
- Figura 10. Configuración de una Microrredp. 40
- Figura 11. Estructura de una microrredp. 41
- modelos técnico-económicos de sistemas de generación de ERp. 42
- Figura 13. Modelo hidro-energéticop. 43
- Figura 14. Simulación de un sistema de generación en HOMERp. 45
- Figura 15. Estructura general de un PERSp. 46
- Figura 16. Niveles de pobreza multidimensional en Colombia – Censo 2018p. 49
- Figura 17. Pobreza multidimensional en Colombia – 2018 2019p. 50
- Figura 18. DANE Mapas Arcgis. IPM Buenaventurap. 50
- energización rural con el uso de sistemas híbridos y microrredesp. 62
- Figura 20 Tree of Science ToSp. 65
- Figura 22. Funciones y características claves del negociop. 68
- 2013 - 2017p. 73
- Figura 24. Stakeholdersp. 74
- Figura 25. Actores del Ecosistema del Negociop. 75
- Figura 27 Población sin acceso a la electricidad 2016 - IEA 2017p. 83
- Figura 28. Fases de la investigaciónp. 89
- en La Platap. 93
- Figura 30. Mapa de ubicación geográfica La Plata Bahía Málaga Colombiap. 98
- Figura 31. Fotografía Archipiélago La Plata Bahía Málaga Colombiap. 98
- Figura 32. Gráficas de edad y génerop. 99
- Figura 33. Estado civil habitantes de La Platap. 101
- Figura 34. Nivel de Escolaridad habitantes de La Platap. 101
- Figura 35. Menores de edad por vivienda – La Platap. 102
- Figura 36. Personas más importantes en las que los habitantes confíanp. 104
- Figura 39. Fallas de la planta diésel Figura 40. Número de fallasp. 105
- Figura 43. Tipo de energía que es más beneficiosa para la comunidadp. 107
- Figura 44. Interés de la comunidad por tener más horas de energía al díap. 107
- Figura 47. Pescado seco en La Platap. 110
- Figura 48. Productos elaborados con madera por los Platencesp. 110
- Figura 49. Piangua – La Platap. 111
- Figura 50. Centro de acopio de la piangua en La Platap. 111
- Figura 51. Árboles de piña y algodón en La Platap. 112
- Figura 53.¿Cuánto acostumbra pagar para recargar el celular?p. 115
- Figura 54. Religión – La Plata Figura 55. Tiempo libre – La Platap. 119
- Figura 56. Rutinas de los habitantes de La Platap. 119