Resumen — Este trabajo consiste en la elaboración de una simulación del consumo eléctrico de casas-habitación en zonas de clima templado en México con el objetivo de observar desde las perspectivas económicas y ambientales los beneficios que se tienen al disminuir el consumo de energía eléctrica de la red. Para reducir la toma de electricidad de la red, se considera la reducción del consumo eléctrico usando aparatos eléctricos más eficientes y la generación del resto de la electricidad por medio de paneles fotovoltaicos. Con base en la importancia actual de la energía eléctrica y debido a las consecuencias de su producción, se plantea la generación fotovoltaica en casas en México. Se describen las características principales del modelo realizado. Se presentan también las medidas más comunes orientadas a mejorar la eficiencia energética, las cuales se utilizaron para realizar el modelo y se explica por qué se eligieron éstas. Posteriormente se da una descripción general de los tipos de sistemas fotovoltaicos. Abstract — this work presents a simulation about the reduction in the electrical consumption of a Mexican house. The objective of this work is to take a look about the economical and environmental benefits of the reduction of the electrical consumption through sustainable methods. To reduce the electrical consumption is proposed the substitution of some electrical appliances for other more efficient, and the installation of photovoltaic panels to produce the remainder requirements of electricity. Based on the importance of the electricity and the consequences of its production, we propose the photovoltaic generation in Mexican houses. The main characteristics of the model are described. Several

methods to save energy are described. Also, the different kinds of photovoltaic systems are presented.

Descriptores — eficiencia energética, generación de

electricidad doméstica, simulación de consumo eléctrico.

I. INTRODUCCIÓN

a energía eléctrica ha sido un factor decisivo en el desarrollo de la humanidad, debido en parte a

los bajos precios de los combustibles usados para generarla y a la sencillez de su distribución, a pesar de las pérdidas propias de la misma y de los costos asociados a la construcción de plantas de generación y distribución. Sin embargo, la generación de electricidad también tiene consecuencias negativas tanto para el ambiente como para la salud del ser humano, una de las principales es la generación de gases de efecto invernadero; por ejemplo, el 7.64% de las emisiones a nivel nacional son producto de la generación de energía eléctrica usada por el sector residencial [1]. Como se puede ver en la Figura 1, la mayor parte de la energía generada en México es a partir de combustibles fósiles, ya sea en plantas de ciclo combinado, de vapor o carboeléctricas. Una alternativa para producir energía más limpia es la instalación de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial para micro generación, ya que el 38% del territorio nacional recibe una irradiación promedio de más de 5.8KWatts-hora por metro cuadrado al día [3]. El principal problema para el uso de esos sistemas es la diferencia de costos entre la energía fotovoltaica y la

L

Daniel Bretón González, Reynaldo Félix Acuña Tecnológico de Monterrey, Estado de México

Correo-e: a00458339@itesm.mx, refelix@itesm.mx

Modelado y simulación de escenarios para la reducción del consumo eléctrico en

casas-habitación

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energía tomada de la red. Esta diferencia de costos se debe por una parte a los subsidios aplicados por el gobierno a ciertas tarifas del sector residencial y por otro lado a los altos costos actuales de los sistemas fotovoltaicos.

Figura 1. Generación eléctrica en México en 2009 en

GWh [2]. Por su parte, el gobierno federal ha elaborado por medio de la Secretaría de Energía, un programa para la electrificación de zonas rurales con energías renovables. Este programa, financiado tanto por el Fondo Global del Medio Ambiente, como por el Banco Mundial y los gobiernos estatales y municipales, tiene como objetivo dotar de energía eléctrica por medio de fuentes renovables a comunidades rurales que estén alejadas de la red de distribución de electricidad. Este proyecto se llevará a cabo en Veracruz, Oaxaca, Chiapas y Guerrero [4]. Los beneficios que tendrán las personas de las comunidades involucradas serán tanto el tener energía eléctrica para iluminación, medios de comunicación o para desarrollar actividades productivas, como una mejora en la salud al disminuir la quema de leña y carbón y por consiguiente, la inhalación de los productos de su combustión. Con ello además de beneficiar con energía eléctrica a las comunidades distantes de los centros de distribución, se promueve el uso de fuentes de energía limpia.

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El modelo propuesto en este trabajo toma como línea base el consumo de una casa que usa focos incandescentes y un refrigerador anterior a la NOM-015-ENER-97. Del mismo modo tiene un patrón de

consumo como el de la Figura 2 y se toma la irradiación medida por la CONUEE en Tacubaya [5].

Figura 2. Consumo de energía eléctrica en una casa

habitación en clima templado [6]. El primer método para disminuir la energía que la casa toma de la red eléctrica es la implementación de medidas de eficiencia energética. La primera recomendación es la sustitución del refrigerador por uno que cuente con sello FIDE, esto lo hace aproximadamente un 73% más eficiente [7]. La segunda recomendación es la sustitución de los focos incandescentes por focos ahorradores, los cuales, dependiendo de su potencia, tienen de un 29% de ahorro en los focos de 40 Watts hasta un 77% de ahorro para los focos de 100 Watts [8]. Se promedió el ahorro de los focos para considerar un 56.27% de ahorro de energía. El segundo método, fue la instalación de sistemas fotovoltaicos en las casas. La capacidad de generación y por consiguiente el costo, dependen del consumo de la casa. Se propusieron varios escenarios con diferentes consumos iniciales y al mismo tiempo, se propusieron varias metas de consumos finales, esto con la intención de analizar si económicamente es mejor opción generar toda la energía utilizada en la casa o únicamente generar la energía suficiente para reducir el consumo de la red y garantizar así una tarifa más baja, por lo tanto, los sistemas fotovoltaicos propuestos son sistemas interconectados a la red, ya que en la mayoría de los escenarios no se plantea la generación del total de la energía que requiere la casa, sino la generación de la electricidad necesaria para llegar a cierta tarifa o a cierto consumo.

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Para el modelo se usaron las tarifas de electricidad de enero de 2009 y la inflación reglamentada para las tarifas eléctricas [9]. En el modelo se simularon 7 escenarios con diferentes consumos de electricidad inicial y diferentes metas de consumo final; estos escenarios se pueden observar en la Tabla 1. Asimismo, se planteó para cada uno de los escenarios propuestos, un escenario paralelo en el que los costos de la electricidad serían los costos reales de producción, estos se calculan en $2.70 por KWh [10]. Con estos escenarios paralelos se plantea determinar si el uso de sistemas fotovoltaicos a nivel doméstico sería más rentable económicamente si la electricidad no estuviera subsidiada. Tabla 1. Consumos iniciales y finales de electricidad en

los escenarios simulados.

Escenario Consumo inicial

(Kwh/mes)

Meta de energía comprada

(KWh/mes) 1 249 0

2 249 139

3 249 25

4 139 0

5 139 25

6 250 139

7 250 25 El diagrama causal del modelo se puede observar en la Figura 3. Para la elaboración del modelo se utilizó el software Vensim. Este software fue desarrollado para simular modelos de diferentes sistemas y así tener más información para la toma de decisiones. Los modelos creados a partir de Vensim se programan tanto en forma gráfica como con código y los resultados de las simulaciones se pueden observar tanto gráficamente como en tablas con los valores de las variables que se desean desplegar [11]. Los resultados no dependen del software, sino únicamente de los datos que se introducen y de la forma en la que estos interactúan. Para comparar los distintos escenarios se tomaron en cuenta factores ambientales y económicos. El indicador ambiental son las emisiones de CO 2 evitadas, éstas están dadas en toneladas de CO2 (tCO2) y se calcularon con un factor de 0.4698tCO2 por MWh ahorrado [12], su cálculo se puede observar en (1). El

indicador económico es el cociente del efectivo total al final de los 15 años en los que se lleva a cabo la evaluación y la inversión inicial, la forma en la que se calculó se puede ver en (2).

Indicador ambiental= (1) Indicador económico= (2)

Donde: ΔC= Consumo de electricidad mensual en la línea base – Consumo de electricidad mensual reducido en KWh M=Meses del proyecto Pe=Precio por KWh1 I=Inversión inicial del proyecto

III. EFICIENCIA ENERGÉTICA

La eficiencia energética consiste en realizar las mismas actividades con la menor cantidad de energía posible. A nivel doméstico, esto se puede llevar a cabo mediante el cambio de hábitos, la modificación de la infraestructura para lograr una mejor eficiencia energética y la adaptación de tecnologías más eficientes. En lo que a este trabajo se refiere, únicamente se aborda el tema de la implementación de tecnologías más eficientes energéticamente. Se escogió la sustitución de focos incandescentes por focos ahorradores ya que la energía usada en una casa para iluminación es de aproximadamente el 35% del total [6], además de ser un consumo que tienen todas las casas y que es una medida que no afecta los hábitos de las personas. La sustitución de focos, puede ahorrar de un 29 a un 77% la energía usada en iluminación, lo que corresponde aproximadamente entre el 12 y 27% del total de la electricidad usada en una casa [6]. Un ejemplo exitoso de la sustitución de focos incandescentes por focos ahorradores fue el proyecto Ilumex, llevado a cabo en Guadalajara y Monterrey de 1995 a 1998. En este proyecto, financiado por la CFE,

1 El precio por KWh varía dependiendo del consumo de cada escenario.

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Figura 3. Diagrama causal del modelo.

el Global Enviroment Facility y el gobierno de Noruega, se sustituyeron 2.45 millones de focos incandescentes, con lo que se logró un ahorro de energía de 302 GWh y se evitó una demanda de generación de electricidad de 56MW, esto es, se redujo la demanda máxima aplazando la construcción de nuevas plantas generadoras. Asimismo, se evitó la emisión de 233 mil toneladas de CO2 equivalente [13]. Las razones por las que se tomó la sustitución de refrigeradores para incrementar la eficiencia energética en las casas es que casi todos los hogares cuentan con refrigeradores, que usan aproximadamente el 30% de la electricidad de la casa [6] y que su sustitución no afecta los hábitos de las personas. El cambio de un refrigerador por un modelo más eficiente puede representar el 73% de ahorro en el consumo en refrigeración o un 22% en el consumo eléctrico de toda la casa. El Instituto de Investigaciones Eléctricas publicó en 2006 la última actualización de un estudio sobre los beneficios económicos y ambientales de mejorar la eficiencia energética en varios aparatos eléctricos, entre ellos los refrigeradores domésticos. Los resultados, medidos en el periodo de 1994 a 2004, que se obtuvieron al mejorar la eficiencia de los refrigeradores primero con la NOM-015-ENER-1997 y posteriormente con la NOM-015-ENER-2002 fue el ahorro de la generación de 26TWh y una reducción de demanda de 1.2GW. Esto significó un beneficio para los usuarios de los refrigeradores nuevos por el ahorro en el consumo eléctrico de $7,900 millones de pesos, y un beneficio de $9,300 millones de pesos para los

fabricantes de refrigeradores por el incremento de los precios de los equipos más eficientes. Además de las ventajas económicas, la mejora en la eficiencia de refrigeradores evitó la emisión de 12 millones de toneladas de CO2 y la emisión de otros contaminantes [14]. En este estudio, también se concluyó que al ahorrar energía, las compañías productoras de electricidad habían tenido pérdidas de $10,700 millones de pesos por concepto de la reducción de sus ventas, sin embargo, no se tomó en cuenta que la electricidad que no se vendió estaba subsidiada y al venderla se tenían pérdidas en vez de ganancias, por otro lado, al no vender la electricidad se pospone la quema de combustibles y se mantienen las reservas de estos.

IV. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS A pesar de que desde 1839 se descubrió el efecto fotoeléctrico, por el cual se puede transformar la luz solar en energía eléctrica, no fue sino hasta la década de los 50 cuando se desarrolló la primera celda solar en los laboratorios Bell [15]. En un principio, por el alto costo que implicaba, la generación eléctrica por medio de celdas solares estaba limitada a usos muy específicos como la generación de electricidad en satélites. Sin embargo, desde la década de los 70, por cada duplicación en las ventas de módulos solares, el precio de estos ha disminuido en un 20%, y los demás componentes del sistema tienen un comportamiento similar [16], por lo cual, cada vez son más accesibles. Actualmente, además de los satélites, los lugares donde

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se genera energía a partir del sol de forma redituable son en regiones aisladas de la red eléctrica o en señalamientos o sistemas de comunicación en carreteras o lugares aislados. Sin embargo, en algunos países como Alemania o Japón, el uso de esta tecnología se ha incrementado grandemente gracias a los subsidios que proporciona el gobierno, ya que como no cuentan con grandes cantidades de combustibles fósiles, buscan generar su energía de forma renovable y no depender energéticamente de otros países. En México, los principales problemas para la adquisición de sistemas fotovoltaicos a nivel doméstico son su alto costo y el bajo costo de la energía tomada de la red debido a los subsidios. A pesar de ello, como consecuencia de las diferentes tarifas de la electricidad en las que el que más consume tiene una tarifa mucho más alta, la energía solar puede ser más accesible para los usuarios que tienen tarifas altas de electricidad. A nivel doméstico se pueden instalar 3 tipos de sistemas solares fotovoltaicos, los cuales se mencionan a continuación: Autónomos: En estos sistemas se genera el total de la

electricidad que ocupa la casa. Tiene las desventajas de que el sistema debe ser lo suficientemente grande para generar el total de la energía que va a ser consumida y se tienen que usar baterías para almacenarla. Esta clase de sistemas son convenientes en lugares que no están conectados a la red eléctrica.

Conectados a la red: Estos sistemas ocupan la energía que generan, sin embargo están conectados a la red. Cuando la generación es mayor al consumo, le venden la electricidad sobrante a la red, en cambio, cuando el consumo es mayor a la generación, compran electricidad de la red. La principal ventaja de este sistema es que no requiere baterías para almacenar energía; en países en los que existen tarifas horarias, se tiene la ventaja adicional de que se puede vender la electricidad generada cuando la tarifa es alta y comprar cuando es baja. En México, con estos sistemas se le puede suministrar a la red la energía que se genere y no se consuma, sin embargo, la electricidad que se le da a la red, únicamente se puede cambiar por electricidad para los momentos en los que la generación sea menor que la demanda y no se puede cambiar por dinero [17], a diferencia de los

sistemas feed-in-tarif que operan en algunos países industrializados, en los que toda la electricidad que se genera se le vende a la red a un precio más caro, ya que es generada con tecnología más costosa, y la energía que se consume de la red se compra al precio normal de la electricidad.

Sistemas híbridos: Estos sistemas, se llaman híbridos porque son una combinación de los sistemas autónomos y conectados a la red, esto significa que al igual que los sistemas autónomos, pueden tener el potencial de generar y almacenar la electricidad que se consume con paneles fotovoltaicos y al mismo tiempo, es un sistema conectado a la red. Esta clase de sistemas tienen la ventaja de que al poder generar y almacenar la electricidad que se consume en la casa, tienen cierta autonomía de la red eléctrica y en caso de un fallo en la misma, la casa tendría respaldo para suplir parte de su consumo. La otra ventaja de estos sistemas es que se pueden diseñar para generar solamente cierta parte de la electricidad que se consume y tomar la otra parte de la red eléctrica, esto en sistemas tarifarios como el de México en el que el que más consume paga más, puede servir para disminuir la tarifa eléctrica al disminuir el consumo.

El tipo de sistema que se propuso para la simulación es híbrido, ya que en la mayoría de los escenarios propuestos, no se genera el total de la electricidad que se consume, sino que solamente se genera la energía para alcanzar una tarifa eléctrica más baja, además de que cuenta con baterías para almacenar la energía que se genera.

V. RESULTADOS

Se simularon 7 escenarios diferentes considerando su consumo inicial y la meta de consumo final, se obtuvo la reducción de emisiones de CO2, y rendimiento de la inversión calculado a partir del cociente del efectivo final y la inversión inicial. Escenario 1. En este escenario se considera proveer toda la electricidad necesaria para una casa de consumo medio, es decir con un consumo inicial de 249KWh mensuales, llegar a un consumo de 0KWh mensuales. Al final de los 15 años de evaluación se tiene un ahorro de 17.9 tCO2 emitidas y una pérdida de

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11 centavos por cada peso invertido. Si la electricidad se vendiera al costo de producción, se tendría una ganancia de 37 centavos por cada peso invertido. Escenario 2. Este escenario considera también casas de demanda media de electricidad, con un consumo inicial de 249KWh mensuales y la meta de consumo es de 139KWh mensuales. Al final de los 15 años de evaluación se tiene un ahorro de 10 tCO 2 emitidas y una ganancia de 23 centavos por cada peso invertido. Si la electricidad se vendiera al costo de producción, se tendría una ganancia de 22 centavos por cada peso invertido. Escenario 3. Este escenario considera casas de consumo medio. El consumo inicial supuesto es de 249KWh mensuales y la meta de consumo es de 25KWh mensuales. Al final de los 15 años de evaluación se tiene un ahorro de 17.9 tCO 2 emitidas y una pérdida de 6 centavos por cada peso invertido. Si la electricidad se vendiera al costo de producción, se tendría una ganancia de 24 centavos por cada peso invertido. Escenario 4. Este escenario considera una casa de consumo bajo, en la que el consumo inicial es de 139KWh mensuales y generará el total de la electricidad de la casa, esto es, se tiene una meta de consumo de 0KWh. Al final de los 15 años de evaluación se tiene un ahorro de 10.6 tCO 2 emitidas y una pérdida de 77 centavos por cada peso invertido. Si la electricidad se vendiera al costo de producción, se tendría una pérdida de 3 centavos por cada peso invertido. Escenario 5. En este escenario se considera una casa de consumo bajo con una demanda de electricidad de 139KWh mensuales y se reducirá su consumo a 25KWh mensuales. Al final de los 15 años de evaluación se tiene un ahorro de 8.5 tCO 2 emitidas y una pérdida de 78 centavos por cada peso invertido. Si la electricidad se vendiera al costo de producción, se tendría una pérdida de 15 centavos por cada peso invertido. Escenario 6. En este escenario se plantean casas de consumo alto con un consumo inicial de 250KWh mensuales y la meta de consumo es de 139KWh mensuales. Al final de los 15 años de evaluación se

tiene un ahorro de 10 tCO2 emitidas y una ganancia de 2.58 pesos por cada peso invertido. Si la electricidad se vendiera al costo de producción, se tendría una ganancia de 23 centavos por cada peso invertido. Escenario 7. Este escenario considera casas de consumo alto en las que el consumo inicial es de 250KWh mensuales y se tendrá una reducción de consumo hasta llegar a los 25KWh mensuales. Al final de los 15 años de evaluación se tiene un ahorro de 19.7 tCO2 emitidas y una ganancia de 1.3 pesos por cada peso invertido. Si la electricidad se vendiera al costo de producción, se tendría una ganancia de 34 centavos por cada peso invertido. Perspectiva económica Para evaluar el modelo desde una perspectiva económica se tomó en cuenta el cociente del efectivo que se tiene al final del proyecto y la inversión inicial, esto es, cuánto se tuvo de ganancia por cada peso que se invirtió. Los resultados indican que para los escenarios donde el consumo inicial es muy alto, se tienen rendimientos grandes, esto debido al elevado costo de la electricidad en las tarifas de alto consumo. También se puede observar en la Figura 4 que si se considerara el costo de producción de la electricidad, los escenarios en los que se tiene un consumo medio también tendrían resultados positivos.

Figura 4. Resultados de costo-beneficio con y sin

subsidios en la energía eléctrica.

Perspectiva de medio ambiente Desde la perspectiva de medio ambiente, se obtuvieron las emisiones de CO2 que se evitan en cada uno de los escenarios. Los resultados muestran que la reducción

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de emisiones es proporcional a la disminución en el consumo de electricidad, por lo tanto, entre más se disminuye el consumo de energía, más disminuye la generación de emisiones. Esto se puede ver en la Figura 5.

Figura 5. Reducción de emisiones de CO2.

VI. CONCLUSIONES

En el aspecto económico, los escenarios donde se tienen mayores ventajas son donde los consumos iniciales son mayores, esto debido a los elevados costos de la electricidad para usuarios de alto consumo. Al mismo tiempo, los beneficios económicos se consiguen al generar la energía necesaria para cambiar de tarifa y no al generar toda la energía que se consume. Si el precio de la electricidad estuviera basado en sus costos de producción, tanto los usuarios de consumo medio como los usuarios de consumo alto tendrían beneficios económicos al generar su propia energía. En ninguno de los casos se vio un beneficio económico para los usuarios de bajo consumo. En la parte ambiental, se puede ver una relación directamente proporcional entre la disminución del consumo eléctrico y la reducción de emisiones de CO2, por lo tanto, los usuarios que más consumen son los que tienen un mayor potencial de disminución de emisiones. Los escenarios presentados muestran la factibilidad económica y la gran ventaja en materia de medio ambiente que traería consigo el apoyo y generalización de proyectos de uso eficiente de energía y de microgeneración a nivel residencial. En un futuro

estaremos evaluando las alternativas tecnológicas disponibles en el mercado en cuanto a sistemas eficientes y a sistemas fotovoltaicos para viviendas individuales así como la instalación de sistemas fotovoltaicos comunes para conjuntos habitacionales con menor demanda de energía. Con esto se espera sustentar una propuesta concreta y económicamente factible para la reducción en el uso de energía a nivel general que pueda ser considerada por instancias de gobierno en cuanto a energía y medio ambiente.

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