ANÁLISIS ECONÓMICO EN LOS ESTUDIOS DE FACTIBILIDAD DEL USO DE LAS FARE APLICANDO ALGORITMO GENÉTICO. M. Sc. Ing. Roberto José Carreño Hernández1, Dr. Ing. Davel Eduardo Borges Vasconcellos 2. 1 ELECTRICIDAD, UPTOS CLODOSBALDO RUSSIAN, Cumaná, Venezuela, 2 Universidad José Ignacio Agramonte Loynaz, Camagüey, Cuba. iperion07@gmail.com, davel.borges@reduc.edu.cu RESUMEN. La producción de energía eléctrica trae asociada la emanación de contaminantes dependiendo de la fuente primaria y la tecnología asociada. En la actualidad, se consideran como contaminantes aquellos que cumplen con la condición de ser abundantes y con efectos conocidos sobre la salud y el medio ambiente. La obtención de energía eléctrica a partir de fuentes naturales no contaminantes es conocida como Fuentes Alternativas Renovables de Energía (FARE). Entre estas se tienen la energía solar, la energía eólica, la energía de las mareas, la energía geotermal, la energía de biomasa, la energía hídrica, entre otras. Basándose en las características geográficas y las condiciones climáticas de la zona norte costera del oriente de Venezuela, las fuentes de energía alternativas renovables a tomar en cuenta serán: undimotriz, eólica y solar. Sin embargo, no se cuenta con un estudio técnico y económico profundo a cerca de la utilización de estas, de tal manera de contar con un sistema de generación eléctrica diversificado. El trabajo pretende profundizar en las peculiaridades de las mismas con el propósito de demostrar su efectividad en el estado Sucre. Como resultados principales se ha llegado a evaluar desde el punto de vista económico la implementación de las tres FARE, en particular la Península de Araya. Para la evaluación de la factibilidad económica se ha utilizado un método de análisis económico basado en la técnica de algoritmo genético. Palabras Claves., algoritmo genético, Fuentes alternativas renovables, fuente de energía undimotriz. Análisis económico en los estudios de factibilidad del uso de las FARE aplicando algoritmo genético ABSTRACT. The production of electrical energy brings associated emission of pollutants depending on the primary source and the associated technology. Today, considered as contaminants those who comply with the condition of being abundant and known about health and environmental effects. Obtaining electric energy from non-polluting natural sources is known as renewable alternative sources of energy (FARE). Among these are solar energy, wind power, tidal power, geothermal energy, biomass energy, water energy, among others. Based on the geographical features and weather conditions of the North Coastal Area of the East of Venezuela, to take into account renewable alternative energy sources will be: wave, wind and solar. However, there is a deep technical and economic study regardeing the use of these in such a way of having a diversified electrical generation system. The work aims to deepen the peculiarities of the same in order to demonstrate its effectiveness in the Sucre State. As main results has come to asses the implementation of the three FARE, particularly the Araya Península from de economic point of view. For the evaluation of the economic feasibility a method of economic analysis based on genetic algorithm technique has been used. Key words: Alternative renewable sources, genetic algorithm, power wave. I. INTRODUCCIÓN Los combustibles fósiles siguen siendo la fuente fundamental para la generación de energía a nivel mundial con una proyección en su utilización de aproximadamente de 100 años. La República Bolivariana de Venezuela posee el mayor yacimiento de combustible del mundo en la Faja petrolífera del Orinoco. Esto representa un ingreso económico de gran importancia para la economía de Venezuela, sin embargo, el mayor provecho de este recurso se logrará al reinvertir los ingresos provenientes de la explotación en proyectos de generación de energía eléctrica basados en fuentes de energía alternativas y renovables con lo que se lograría la diversificación energética y un avance en el campo científico y tecnológico en nuestro nación, al fomentar la producción de energía a partir de fuentes que involucren un menor impacto ambiental. Es bien sabido el daño que causa el uso de los combustibles fósiles al medio ambiente. El camino hacia la independencia de cualquier nación dependerá de la diversificación energética y tecnológica con mínimo daño al ambiente. Debe dejarse claro que la producción de energía eléctrica en Venezuela proviene de unas de las fuentes más limpias y baratas, la transformación hidroeléctrica. Esta generación eléctrica guarda perfecta armonía con el entorno ambiental, pues proviene del gran recurso hídrico que posee. Alrededor del 70% de la generación eléctrica se obtiene del procesamiento de este recurso natural al sur del país donde se encuentran concentrados los grandes ríos caudalosos, el 30% restante es producto de la generación térmica a través del uso de combustible fósil (principalmente en la región centro occidental). A raíz del impacto climático producido por el fenómeno natural de El Niño, donde se redujo el nivel de agua en las represas, ha quedado de manifiesto la vulnerabilidad del SIEM’ 2013 1 sistema eléctrico nacional al depender solo de la fuente hidroeléctrica. A pesar de la abundancia que aportan las fuentes alternas de energía, se observa una falta de control por parte del hombre sobre este recurso natural. El sistema de energía conformado por la generación, transmisión y la distribución eléctrica, en completa sincronización con el crecimiento poblacional e industrial, conforma la conjugación fundamental que allana el camino hacia independencia tecnológica. Desde hace doce años el estado venezolano decidió enrumbar el país hacia un modelo de vida más humano e independiente, distanciándose de las naciones que utilizan la tecnología como el nuevo mecanismo de dominación e injerencia en los pueblos que andan en la búsqueda de su propia autonomía. Actualmente las fuentes alternativas renovables están conformadas por la generación eólica, generación solar, generación de las mareas, generación por biomasa, generación geotérmica, entre otras. Estas son las más utilizadas porque conllevan un menor nocivo hacia el medio ambiente. Actualmente la generación eléctrica a nivel mundial presenta una tendencia a la reducción en el impacto ambiental, disminuyendo el uso de combustible fósil y nuclear, y aumentando el uso de las llamadas fuentes alternativas renovables de energía (FARE). Basándose en las características geográficas y las condiciones climáticas de la zona norte costera del oriente de Venezuela, las fuentes de energía alternativas renovables a tomar en cuenta serán las siguientes: fuerzas de las olas (undimotriz), la fuerza del viento (eólica) y la energía solar. No se cuenta con un estudio técnico y económico profundo a cerca de la utilización de estas fuentes de tal manera de contar con un sistema de generación eléctrica diversificado. Se realizó una revisión bibliográfica de 75 escritos, textos especializados, páginas electrónicas con una vigencia de hasta cinco años, a nivel mundial, regional y local para obtener el conocimiento necesario a la hora de desarrollar tan importante trabajo. Cabe destacar que el uso del algoritmo genético es una de las herramientas más potente aplicada en el área de análisis tecno económico, sobre todo cuando se compara el impacto ambiental de sistemas de generación eléctrica de combustible fósil y fuentes alternativas renovables. II. ANÁLISIS TÉCNICO ECONÓMICO EN LA IMPLEMENTACIÓN DE LAS FARE Respecto a la estructura de los mercados, como factor determinante para las perspectivas de las fuentes renovables, cabe señalar algunas cuestiones. La primera es que el avance hacia mercados más competitivos parece haber venido acompañado de desregulación (algo que, en muchas ocasiones, va en contra del desarrollo de fuentes renovables). En sentido contrario, un mercado más competitivo debiera permitir, en teoría, que los productores con tecnologías renovables pudiesen diferenciar mejor su producto y apelar directamente a los consumidores que prefieren energía más limpia, incluso a cambio de un precio más alto. Parece esencial señalar, en todo caso, que en sentido estricto esta diferenciación no es tan sencilla (salvo en algunas excepciones): el productor sólo puede garantizar que el kWh se produjo de manera más limpia pero nunca que dicho kWh «limpio» se distribuyó al consumidor. El kWh que se sirve, a escala minorista, entró a formar parte de un pool mayorista y, por lo tanto, no puede diferenciarse en sentido alguno de aquél que se produjo con tecnología menos limpia (cuánto menos en términos estrictamente físicos). El consumidor puede estar dispuesto a pagar más pero nunca por consumir un kWh más limpio sino por su convicción de que el mix de generación progresivamente evolucionará, gracias a su contribución, hacia la producción de un kWh con mayor participación de tecnologías renovables. Por otro lado, un factor determinante en la penetración de las energías renovables es el tamaño del mercado: un mercado suficientemente grande (como el que pudiera resultar de los esfuerzos de integración en la región), contribuiría no sólo a aumentar la participación de las fuentes renovables en la matriz energética sino, a su vez, a reducir los costos de proporcionar energía renovable en el futuro. [78] El análisis técnico económico realizado por el PhD Jain Pramod [19] referente a la energía eólica, pondera la relación de costo entre las fuentes de energía basadas en combustible fósil y su relación directa con la emisión a la atmósfera de gases con efecto invernadero. La inversión para corregir estas emanaciones nocivas para el medio ambiente representa un alto costo para la economía y son tomadas en cuenta al momento de comparar la generación eléctrica proveniente de una fuente distinta a la tradicional. El otro punto considerado por el investigador es el relacionado con el transporte de la energía. Las zonas de mayor actividad eólica en Estados Unidos, por su condición geográfica, están apartadas de los centros poblados involucrando un alto costo en la infraestructura para su traslado. Hace énfasis en la facilidad de transportar combustible fósil a las plantas eléctricas en comparación a la energía eólica la cual está sujeta a su zona de producción. Este análisis bien puede ser considerado en la República Bolivariana de Venezuela con un carácter documental más que práctico, pues las emanaciones de gases de efecto invernadero son reducidas (el mayor porcentaje de producción de energía eléctrica provine de la hidroeléctrica) y las zonas con mayor presencia de vientos están ubicadas en zonas con desarrollo urbanístico con una infraestructura en la transmisión de energía eléctrica robusta. En Venezuela se cuenta con las condiciones climáticas y geográficas suficientes para el desarrollo de un sistema de generación eléctrica a partir del sistema eólico, no obstante aun no se posee un reglamento en cuanto a los incentivos financieros y económicos provenientes del estado. La ley que reglamenta esta área de uso racional y eficiencia energética se promulgó el 19 de diciembre del 2011 y los Ministerios con competencia en esta materia están desarrollando los mecanismos necesarios para el respaldo al uso de las FARE. (Gaceta oficial 39823) [46]. Los estudios técnico económicos realizados, en materia de energía renovable, por los países pertenecientes a las grandes potencias mundiales siempre reflejan un saldo negativo o de alto riesgo cuando se compara este tipo de obtención de energía limpia con la obtenida del procesamiento de combustible fósil. Es por ello que el análisis realizado por Roy Nersesian [38] refleja la inviabilidad en el uso de la energía solar para la generación de energía eléctrica partiendo de dos premisas, la primera toma en cuenta una exposición solar de 5,5 horas por día (equivalente a 2kWh), la segunda considera SIEM’ 2013 2 el porcentaje de consumo de la electricidad en las horas de la mañana y en las horas nocturnas. Para ambos estudios el costo de producción aportado por la energía solar es elevado, y solo se volvía competitivo si no se toma en cuenta la tasa de retorno del capital, es decir el dinero no tiene valor en el tiempo. Claro está que su análisis se ajusta a las condiciones climatológicas y geográficas de la zona, por lo general países que tienen una reducida exposición a las radiaciones solares y una total dependencia del carbón y el petróleo. Este estudio aporta cierto grado de información aplicable a determinadas regiones de Latinoamérica que de alguna forma presentan similitudes con las zonas de estudiada por el autor. Entre los estudios realizados en Latinoamérica se cuenta con el trabajo realizado por Pontoriero [56], que versa sobre la consideración de la generación eléctrica híbrida, generación eólica y generación solar, aprovechando al máximo los recursos naturales de cada zona. A pesar de que el análisis económico toma en consideración el costo del material y equipos a utilizar proporciona suficiente información de ambas fuentes renovables para la generación eléctrica y su funcionamiento en conjunto para un mayor aprovechamiento de los recursos. Algunos autores comparten la opinión que el uso de las fuentes de energía alterna y renovables para la generación de electricidad están en desventajas cuando el análisis técnico económico aplicado a las mismas, parten de una visión puramente técnica [60]. En sus análisis establecen dos paradigmas, el primero basado en costos técnicos, equipos maquinarias, la tasa de retorno del capital; el segundo basado en el impacto ambiental, el resguardo del medio ambiente la sustentabilidad, la opinión de la sociedad, las soluciones y respuestas a las comunidades, el compromiso gubernamental con los desarrollos sociales además de la recuperación de la inversión. Claro está que cuando se aplica el nuevo paradigma la inversión en las fuentes alternas renovables es favorable. Se puede concluir que en el 90 % de la bibliografía consultada para llevar a cabo este trabajo de investigación, todos los trabajos que hacen referencia al análisis técnico económico como manera comparativa entre las fuentes convencionales y las fuentes no convencionales renovables para la generación de electricidad respaldan de manera categórica el uso de las primeras para la generación eléctrica, partiendo y dándole mayor peso a la recuperación de la inversión con menor tiempo de retorno y menor inversión, dejando de lado el impacto ambiental, la sustentabilidad y la aplicación de políticas de estado acordes con el bienestar social. En tiempos donde la relación equilibrada, holística entre seres humanos y medio ambiente están copando los pensamientos de la humanidad con la única intención de garantizar un mundo mejor para las futuras generaciones, el bienestar colectivo, social y económico adquieren la estabilidad necesaria para garantizar la convivencia mundial en plena armonía. [3][4][9][14][16][18][32][36][46][55][60][61][68][71][72] COSTO AMBIENTAL DE LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA La producción de energía eléctrica trae asociada la emanación de contaminantes dependiendo de la fuente primaria y la tecnología asociada. En la actualidad, se consideran como contaminantes indicadores a aquellos que cumplen con la condición de ser abundantes y con efectos (negativos casi siempre) conocidos sobre la salud y el medio ambiente. Los indicadores más comunes en un inventario de emisiones de contaminantes atmosféricos son los compuestos orgánicos totales (TOC, por sus siglas en inglés), el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NOx), los óxidos de azufre (SOx), el material particulado (MP), los contaminantes tóxicos atmosféricos, los gases de efecto invernadero, el ruido y las radiaciones. Existen evidencias científicas que permiten afirmar que la emisión de estos gases (dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), CFCs y otros) a la atmósfera incrementa el efecto invernadero y contribuyen al calentamiento global. La metodología empleada tradicionalmente para el cálculo de costos externos relacionados con los contaminantes se construye sobre la base de funciones de daño o rutas de impacto. La valoración, en ese contexto, parte del cálculo de emisiones (mediante la aplicación de métodos homogéneos que permitan comparaciones ulteriores), para avanzar, posteriormente, en la estimación del incremento en la concentración de los contaminantes en el medio. Finalmente, se integran en el marco del análisis económico los resultados obtenidos en términos físicos, producidos a partir de la explotación de los datos de referencia sobre emisiones y cargas ambientales, con el área de impacto (a partir de datos sobre la densidad y las características básicas de los diferentes medios receptores) para identificar exactamente aquellas categorías de impacto sobre las que habrán de centrarse los esfuerzos de valoración. En definitiva, este método (y sus variaciones) identifica todos los impactos producidos y los cuantifica en términos físicos, para asignar posteriormente valores en unidades monetarias y calcular el daño real (que, en términos económicos, será siempre el valor monetario de variaciones positivas o negativas de bienestar ante modificaciones de la calidad ambiental). [78] Según estudios de la CEPAL, se puede determinar el valor unitario ambiental de la producción de energía eléctrica, a partir de las toneladas equivalentes de CO2 evitadas, que para el período actual asciende a 14,07 Euros / t CO2 a partir del valor presente neto del año 2005. [78] Considerando una tasa de descuento de un 1,1%, el valor actual en dólares americanos se estima en 11,51 USD / t CO2 evitadas como valor presente neto. IMPLEMENTACIÓN DE LAS FARE EN VENEZUELA Sistema energético venezolano La república Bolivariana de Venezuela ha basado su economía en la mono producción de hidrocarburos desde finales del siglo XIX hasta la fecha. Esta sostiene el 75% de la economía venezolana, también debe tomarse en cuenta el papel que juega en la Organización de Países exportadores de Petróleo, OPEP por ser país fundador y por poseer las mayores reservas mundiales de petróleo en el mundo, un total de 297.571 millones de barriles en reservas probadas y en cuanto a las reservas probadas de Gas Natural contabilizadas al cierre del año 2011 están por el orden de 195 mil 234 billones de pies cúbicos, de los cuales 37 mil 65 billones de pies cúbicos SIEM’ 2013 3 están asociados a la Faja Petrolífera del Orinoco (FPO). Por otro lado cuenta con una reserva fluvial considerable, la cuenca del Caroní, esta aporta el 70% de la generación eléctrica total. Específicamente en las represas hidroeléctricas de la cuenca del río Caroní, se obtienen el 75% de la producción hidroeléctrica del país. El gráfico 2.1, tomado del informe 2006 del Instituto Español de comercio exterior, refleja la condición energética del país. figura 1. Consumo energético venezolano, fuente: Energy International annual. La ubicación geográfica del país, al norte de la América del sur, justo en la zona ecuatorial del planeta, le proporciona unas ventajas considerables a la hora de contar con otras fuentes alternas para la obtención de electricidad. Cuenta con una exposición de 11,5h diarias a la radiación solar, con vientos de aproximadamente 10m/s y un embate de las olas del mar de 1,5m cada 5s. No cuenta con una actividad volcánica considerable ni con fuentes de aguas termales de gran importancia. Posee grandes extensiones de tierras en la región central, conocida como los llanos, que ocupa desde el oriente hasta el occidente del país. Hacia el sur, Estado Bolivar posee extensiones de tierra considerables. Todas estas están dedicadas al uso agropecuario tanto para el consumo interno como para la exportación. El sistema eléctrico venezolano comenzó un proceso profundo de cambios a partir del último lustro del siglo pasado para lograr la nacionalización a través de la conformación de una corporación nacional denominada CORPOELEC, dicha empresa operadora estatal está adscrita al Ministerio del Poder Popular para la Energía Eléctrica y se encarga de realizar las actividades de generación, transmisión, distribución y comercialización de potencia y energía eléctrica. Se encuentra conformada por las siguientes empresas eléctricas: Electrificación del Caroní, C.A. (EDELCA), Energía Eléctrica de Venezuela, S.A. (ENELVEN), Empresa Nacional de Generación C.A: (ENAGER), Compañía de Administración y Fomento Eléctrico S.A. (CADAFE), Energía Eléctrica de la Costa Oriental del Lago C.A: (ENELCO), Energía Eléctrica de Barquisimeto S.A. (ENELBAR), Sistema Eléctrico del Estado Nueva Esparta (SENECA) y La Electricidad de Caracas (La EDC), SENECA, ELEVAL, ELEBOL y CALIFE. En el reporte anual del ministerio del poder popular para la energía eléctrica, MPPEE, el consumo de energía eléctrica en Venezuela durante el año 2011 fue de 10.257,5 GW/h en promedio, con un incremento del 5,5% respecto al año anterior, motivado principalmente al crecimiento económico y a una mejor calidad de vida de la población venezolana por las políticas de desarrollo social, sin dejar de mencionar una carencia de educación en el ahorro energético. En cuanto a la capacidad de generación eléctrica en Venezuela se contó con una capacidad instalada de 25.705 MW. En figura 2.4 se muestra el aporte por tipo de unidad de generación en el año 2011. Otro análisis importante resulta de la expresión de la energía bruta generada por tipo de unidad en función de una unidad internacional con el fin de establecer el costo de la energía. Es por ello que se hace uso de la unidad de barril equivalente de petróleo, BEP, unidad fue establecida por la Organización Latino Americana de Energía, OLADE, para expresar los balances energético, basado en las siguientes consideraciones: La coherencia con el sistema internacional de unidades (SI). Una expresión que vincule de manera directa una realidad física con su significado. Relación directa con el energético más importante en el mundo actual y por lo tanto la facilidad en su utilización. Su valor numérico resulta representativo para la disimilitud en tamaño de las cifras de los diferentes energéticos entre los países miembros de la organización. Sobre la base del poder calorífico de 1 kg de petróleo que es de 10.000 kcal. Tabla 1. Factores de conversión para unidades energéticas comunes de la OLADE. Fuente: SIEN guía M-5. Sistema de información Económica Energética, SIEE, 2004 B EP T EP T EC T cal B EP TE P TE C Tcal TJ 103 Btu MW h Kg GLP m3 Gas Nat. pc Gas Nat. 1 0,1 3878 0,19 82593 0,00 139 0,00 581 552 4,86 1,61 39445 131, 0616 167, 207304 591 7,1597 6 1,42 85868 0,01 0,04 184 398 10,22 11,6 29517 944, 38388 1204 ,83714 426 369763 0,00 7 0,02 92877 278 66,85 8,14 057 661, 0616 843, 376919 298 45,562 1 4,18 4 398 1022 1162 ,952 944 38,388 1204 83,714 426 3697,6 1 951 487 277, 95214 225 71,316 2879 6,2988 101 9048,1 9 0,00 029 0,02 372 0,03 0265 1,07 101 1 81,2 0577 103, 6016 366 6,2721 9 1,27 579173 45,1 47929 7, 2056 49 5, 0439 0,6 99992 5 71 9,424 5 100 T 17 2,117 1 03Bt u 0, 0001 81 J 1 0, M 6196 Wh K 0, g 0076 GL 3 P m 0, 3 0059 Gas 81 Nat. p 0, c 0001 Gas 69 Nat. 23, 90057 4 2,5 12E05 0,0 85988 1 1 142, 857143 34,1 440263 3,58 85E-05 0,12 284152 1 0,23 900573 6 2,51 192E07 0,00 085988 1 1,05 1E-06 1 0,00 359774 344 8,2758 6 0,0 01058 9 0,00 151272 1,05 889E05 4,43 04E-05 42,1 58516 0,01 231439 6 0,0 0083 0,00 118571 8,29 988E06 3,47 27E-05 33,0 41467 0,00 965236 1 0,78 3827 2,3 45E09 3,35 06E-05 2,34 538E07 9,81 31E-07 0,93 36981 0,00 027275 7 0,02 214941 1 1 35,3 881657 0,02 825803 4 1 •1bblGLP=0,6701Bep •1bbl=0,15898m3 = 5,6143pc • 1m3GLP=552,4Kg • 1pc=0,028317m3 SIEM’ 2013 4 Dado los tipos de unidades utilizadas en la República Bolivariana de Venezuela para la generación de energía eléctrica, vale la pena contar con la equivalencia de los combustibles utilizados por cada una de las fuentes energéticas de electricidad en barriles equivalentes de petróleo y de esta forma ponderar en dinero la inversión en la generación eléctrica. En tal sentido se presenta la tabla 2 de equivalencia de combustibles a BEP. Tabla 2. Factores de conversión usados por La República Bolivariana de Venezuela como miembro de la OLADE. REP. BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIDADES ORIGINALES 103 bbl PETRÓLEO 6 103 BEP 1,1067 3 10 m GAS NATURAL 7,5861 0,9247 10 bbl KEROSENE/JET FUEL 1,0141 3 5,2600 10 bbl DIESEL OIL 1,0671 0,6196 103bbl FUEL OIL 1,1334 3 0,6196 10 ton COQUE 5,0424 3 71,2777 3 10 ton LEÑA GWh ELÉCTRICA 103 BEP 3 3 10 ton CARBÓN GWh HIDROLÓGICA GWh GEOTERMICA Kg NUCLEAR UNIDADES ORIGINALES 103 bbl GASOLINA 10 ton CARBON VEGETAL 5,6268 3 2,5219 10 bbl ALCOHOL Hacia la costa norte del Estado Sucre, Península de Araya la energización es a través de conductor submarino proveniente de la ciudad de Cumaná, con una longitud de 5 Km y con más de cuarenta años prestando servicio. Por su situación geográfica los pobladores de la península de Araya (región ubicada al noroccidente del estado) se dedican a las labores de pesca y a la explotación de la mina de sal. Esta región está separada de la ciudad de Cumaná, la capital del estado, por el golfo de Cariaco. El suministro de energía eléctrica hacia esta región oriental de la península recorre toda la línea costera de tierra firme, alrededor de 120Km, para que las 30.000 familias que hacen vida en esta región se beneficien del servicio eléctrico. Por ser una zona marítima está bajo la inclemencia del salitre y de altas temperaturas, por ello las interrupciones del servicio eléctrico siempre están presentes y la realización de maniobras de mantenimiento son en fallo. 0,5980 0,6196 Situación actual del sistema eléctrico en el Estado Sucre El estado Sucre se encuentra ubicado en la región nororiental de la República Bolivariana de Venezuela y cuenta con 700Kms. de costa pues al norte limita con el mar Caribe. Como se observa en la red de troncales de transmisión de la figura 2.6 el Estado Sucre pareciera energizado por dos circuitos dobles de 230kV provenientes de la subestación Guanta, Estado Anzoátegui y de la subestación el Furrial, Estado Monagas. Ambas doble ternas llegan hasta la subestación Casanay de la cual se distribuye a un nivel de tensión de 115kV. Sin embargo, en realidad la línea proveniente del Furrial actualmente está transmitiendo a 115kV. Implementación de las FARE en la Península Araya del estado Sucre La península de Araya puede dividirse en cinco sectores, de acuerdo a la acción del viento y el oleaje, a saber: Costa sur. Sector oriental de la costa norte, desde la población de Chacopata hasta Taguapire. Sector central de la costa norte, desde la población de Taguapire al Guamache. Sector occidental de la costa norte, desde la población del Guamache hasta Punta Escarceo. Punta, comprende Punta Araya y Punta Arenas. Los estudios realizados sobre el oleaje en toda la Península responden a observaciones realizadas por la Universidad de Oriente y por organismos internacionales de registro satelital de características predictivas. El comportamiento del oleaje es más intenso en el primer semestre del año. En la región costa sur, frente al golfo de Cariaco, se aprecian olas de 0,8m con periodos significativos de 3,5m. Este oleaje es producido en el mismo golfo con dirección este, E. En el sector oriental de la costa norte se observan olas de 0,6m a 0,8m con periodos de 3s a 5s procedentes del este-noreste, ENE. Pueden apreciarse olas de más de 2 m con periodos de 20s en situaciones de huracanes y de mar de fondo. El mar de fondo posee un periodo de 25 años. El sector central de la costa norte está protegido geográficamente por la isla de Margarita, el oleaje cotidiano no excede de 0,4m con un periodo significativo de 2,5s procedente del ENE. En el sector occidental de la costa norte se presentan oleajes de 0,8m y periodo significativo de 2,5s. En el sector Punta el oleaje es de 0,3m cada 2s, presentándose situaciones con oleaje de hasta 2m y periodo de 12s a 20s en caso de mar de fondo y huracanes. Para el caso de huracanes, de manera general el aprovechamiento del oleaje es significativo pues el embate del mismo se ve reducido por la protección geográfica de la Península. En la búsqueda de un sistema eléctrico robusto en esta región se ha pensado en hacer uso de las FARE, tomando en consideración la satisfacción de las necesidades del presente sin comprometer de manera negativa el futuro de las generaciones de relevo. Figura 3. Diagrama eléctrico del Estado Sucre. SIEM’ 2013 5 Para definir el sistema eléctrico a desarrollar en la región se debe conocer todos y cada uno de los sistemas de generación eléctrica basados en las fuentes de energía alternativas y renovables. Existen razones que sirven de fundamento básico inicial para el empleo de las FARE en la zona de la península de Araya, como son: La existencia de potencialidades de fuentes renovables debido a la geografía de la región, en particular el uso de la energía eólica, solar y undimotriz, en similitud con otras zonas del planeta con características similares. La necesidad imperiosa del estado venezolano de desarrollar fuentes de generación de energía eléctrica en la zona nororiental del país, debido al déficit hacia esta región. La posibilidad de reinversión con el empleo de una parte de las ganancias derivadas de la extracción petrolífera del país. La necesidad de diversificar la matriz de generación del país, con lo cual se lograría una mayor independencia energética, reduciendo la vulnerabilidad del sistema actual, lo cual constituye un problema de seguridad nacional. La necesidad de reducir los niveles de contaminación al planeta como encargo primordial del estado socialista. Tener conciencia de que aún cuando las reservas de petróleo del país lo sitúan en posición privilegiada en el mundo, este es un recurso no renovable y por ende agotable en algún momento, por lo que ha llegado la hora de prever esta situación. ANÁLISIS ECONÓMICO IMPLEMENTACIÓN DE LAS FARE EN LA Los algoritmos genéticos en la solución de problemas de optimización Un algoritmo genético consiste en una función matemática o una rutina de software que toma como entradas a los ejemplares y retorna como salidas a aquellos que deben generar descendencia para la nueva generación. Versiones más complejas de algoritmos genéticos generan un ciclo iterativo que directamente toma a la especie (el total de los ejemplares) y crea una nueva generación que reemplaza a la antigua una cantidad de veces determinada por su propio diseño. Una de sus características principales es la de ir perfeccionando su propia heurística en el proceso de ejecución, por lo que no requiere largos períodos de entrenamiento especializado por parte del ser humano, principal defecto de otros métodos para solucionar problemas, como los sistemas expertos. Ventajas y desventajas respecto a otros métodos de optimización Las principales ventajas están dadas por: No necesitan conocimientos específicos sobre el problema que intentan resolver. Operan de forma simultánea con varias soluciones, en vez de trabajar de forma secuencial como las técnicas tradicionales. Cuando se usan para problemas de optimización (maximizar una función objetivo) resultan menos afectados por los máximos locales (falsas soluciones) que las técnicas tradicionales. Resulta sumamente fácil ejecutarlos en las modernas arquitecturas masivamente paralelas. Usan operadores probabilísticos, en vez de los típicos operadores determinísticos de las otras técnicas. No imponen condiciones a las funciones objetivos. Son capaces de tolerar los más diversos tipos de funciones y la existencia de discontinuidades. Han demostrado ser herramientas muy robustas en la solución de problemas discretos. Entre sus principales desventajas están: Pueden tardar mucho en converger, o no converger en absoluto, dependiendo en cierta medida de los parámetros que se utilicen tamaño de la población, número de generaciones, etc. Pueden converger prematuramente debido a una serie de problemas de diversa índole. Pasos para ejecutar un algoritmo genético La solución de un problema de optimización, a través de un algoritmo genético requiere de tres planteamientos básicos iniciales: La codificación genética de las variables de decisión en el espacio de búsqueda, que se determina por un cromosoma de la cantidad de genes necesarios para representar la solución. Estos genes son expresados por códigos de diferente naturaleza, siendo la codificación binaria una de las más utilizadas por su simplicidad. Esta codificación define el tipo de población y en la mayoría de los casos está asociado al tipo de problema de optimización que se pretende resolver. El establecimiento de la función a optimizar o función de adaptación (fitness), que posibilitará la evaluación de las soluciones generadas en el espacio de búsqueda. La limitación del espacio de búsqueda, lo cual se puede lograr a partir de la propia codificación de la solución, la incorporación de restricciones operacionales (si el algoritmo lo permite) y la elaboración de funciones de penalización, las cuales se añaden a la propia función de adaptación. El correcto dimensionamiento de estos tres aspectos constituye la clave del éxito para el futuro desempeño del algoritmo. Otro aspecto importante es la definición de una serie de parámetros que determinan el funcionamiento del algoritmo, siendo los principales: El tamaño y algoritmo de creación de las poblaciones. Los operadores genéticos de selección, cruzamiento y mutación. Los operadores de reemplazo de la población. Los criterios de parada o terminación. Modelación económica para la evaluación del empleo de las FARE Sin duda alguna, el empleo de las FARE tiene un efecto global económico, expresado en los análisis de inversiones, por lo que su factibilidad puede evaluarse con el uso de diferentes técnicas que permiten realizar un análisis económico financiero. Existen varios métodos que permiten realizar el proceso de evaluación de inversiones, tales como: el Valor Actual Neto (VAN), la Tasa Interna de Retorno (TIR), la Relación SIEM’ 2013 6 Beneficio Costo (RBC), el período de recuperación (PRI), entre otros. Estos métodos permiten considerar el concepto de valor tiempo del dinero en los años considerados y están basados en un flujo de caja descontado a la tasa que corresponda, de acuerdo con lo exigido por la política del estado, por lo exigido por el propio inversionista, o por el interés exigido por el financista. Estas tasas de descuento incluyen además otros factores como la inflación (considerada en Venezuela de 1,1% anual) y se basan también para su formación en las tasas de intereses bancarios. El flujo de caja descontado en el año j (FCj), se puede obtener a partir de la expresión siguiente: FC j E j S j IMP PP (1) Donde: Ej: Entradas en el año j. Sj: Salidas en el año j. IMPj: Pago de impuestos sobre las utilidades en el año j. PPj: Pago a principal en el año j. Dentro de las entradas se incluyen todos los beneficios en términos monetarios como resultado de la inversión, incluidos los ahorros por ese concepto. Por su parte, en las salidas se consideran los gastos operacionales, donde se incluyen los gastos de depreciación e intereses bancarios. A la diferencia neta entre las entradas y las salidas en el año j se le conoce como utilidades antes de impuesto (UAIj). UAI j E j S j (3) Finalmente el flujo de caja para el año j puede considerarse como el valor neto del período. FC j UDI j PPj j 1 (4) En la comparación de variantes de procesos inversionistas relacionados con las FARE, se exige la utilización de métodos basados en flujos de descuento. Uno de los más empleados es el Valor Actual Neto (VAN). En este caso, los indicadores a tener en cuenta están relacionados con los efectos de la inversión: Costos de inversión de las FARE (Kf). Costo de inversión de las fuentes convencionales (Kc) Gastos anuales de depreciación de las instalaciones (Ca). Gastos anuales de mantenimiento de las instalaciones (Cm). Gastos anuales de salario del personal (Cs). Beneficios económicos anuales de la energía generada (Bec). Beneficios ambientales anuales por la no emisión de gases de efecto invernadero (Bco). De forma general el VAN puede expresarse: FC j 1 TD j (5) En este caso: K Kf Kc (6) E j Bec Bco (7) S j C Ca Cm Cs (8) Donde: C: Gastos anuales de explotación. TD: Tasa de descuento establecida. n: Años de explotación. Los años de explotación considerados van a depender de factores como el período de vida útil u obsolescencia del equipamiento y las instalaciones en general, así como de modificaciones tecnológicas, de capacidad productiva, de objeto social; establecidas como parte de procesos de perfeccionamiento empresarial o de reparaciones parciales o capitales, que deriven en la necesidad de rediseñar los dispositivos compensadores. Estos períodos se consideran con regularidad entre 3 y 5 años de explotación. Por su parte, las tasas de descuento incluyen el “premio al riesgo” y las tasas de inflación. Por esta razón, usualmente las entradas y salidas del VAN se consideran constantes en los n años de explotación. El término, n (2) Por su parte, las utilidades después de impuestos en el año j (UDIj) se obtienen de deducir de la expresión anterior el pago de impuestos. UDI j UAI j IMPj n VAN K 1 1 TD j 1 j se le conoce como el valor actual de una anualidad. La tasa de descuento se ha considerado de un 3%. La tasa de interés se considera 20,8 % para inversiones a través del Banco de Venezuela. Modelos de los indicadores económicos Modelo de inversiones El modelo de inversiones se ha considerado a partir del costo de instalación de las fuentes generadoras de energía eléctrica. Modelo de beneficios Los beneficios están dados por la no utilización de combustibles fósiles en términos económicos y ambientales. Modelo de gastos de explotación Los gastos anuales de explotación dependen de los gastos por los conceptos de depreciación, mantenimiento y salario. Formulación del problema de optimización Un problema de optimización es aquel que busca maximizar (o minimizar) una función con un número determinado de variables, estando los valores sujetos a ciertas limitaciones (restricciones). A partir del problema real se formula el problema aproximado, el cual posteriormente es modelado matemáticamente y resuelto aplicando algún algoritmo de optimización conocido. Análisis y planteamiento del problema SIEM’ 2013 7 En el caso de la utilización de FARE, el problema real puede ser redactado de la manera siguiente: Determinar la capacidad de generación con varias FARE necesaria para producir energía eléctrica en contraposición con las fuentes convencionales tal que se obtenga el máximo de Valor Actual Neto (VAN). Como consideraciones del problema aproximado (condiciones iniciales) se plantean las siguientes: Serán considerados todos los indicadores económicos presentados con anterioridad y representados por sus respectivos modelos. Serán considerados en el análisis todas las FARE técnicamente posibles. Para la Península Araya se considerarán tres tipos de fuentes renovables (Eólica Solar y Undimotriz). La capacidad de generación total con FARE no debe superar la capacidad límite. No han sido tomados en cuenta los gastos de instalación al SEN. Construcción del modelo matemático En este caso se realiza el análisis siguiente: Como variables de decisión del problema se consideran las capacidades de generación de cada tipo de FARE. Por lo tanto, los cromosomas estarán representados por el vector real [x], compuesto por los elementos (cadena de genes) xi, donde i es el tipo de fuente alternativa. Por todo lo anterior, el número de variables (nvar) quedará definido por la cantidad k de fuentes alternativas: Como función de adaptación (Fitness) se toma el –VAN: n Fitness VAN K E S j 1 1 1 TD j (9) Esto se hace porque las herramientas computacionales empleadas en este caso solo hayan mínimo de funciones. A su vez las entradas y salidas tendrán en cuenta la tasa de inflación considerada. El objetivo será minimizar la función de adaptación. Como restricciones operacionales se añaden las siguientes: La capacidad total de generación no debe superar la capacidad límite (Xlim) establecida bajo criterios técnicos: k x i 1 i X lim (10) La capacidad de generación de cada FARE considerada debe encontrarse en el rango entre 0 y la capacidad límite (Xlim): 0 xi X lim (11) Finalmente el modelo de optimización, quedaría expresado de la siguiente forma: Dados: koi: Costos específico de inversión ($/MW) de cada FARE y fuente convencional considerada. : Tiempo equivalente de generación. Go: Costo del MWh generado con fuentes convencionales. tco2: Impacto ambiental de emisión de CO2 en toneladas por MWh. Gco2: Impacto económico de emisión de CO2 en $ por toneladas. : Factor de descuento anual por depreciación en por unidad. Fm: Factor de mantenimiento en por unidad de cada FARE. Gastos de salario de cada FARE Xlim: Capacidad de generación límite (MW). Se necesita minimizar la función de adaptación (Fitness) de la expresión (9). Sujeto a las restricciones operacionales presentadas en las expresiones (10) y (11). Programación del procedimiento de solución del problema a partir del AGS Con ayuda del MATLAB, versión 7.10 (R2010a), se programó el modelo de compensación, utilizando las estructuras de programación de Global Optimization Toolbox, sección Genetic Algorithm and Direct Search. La función principal utilizada en MATLAB fue: ga, destinada para encontrar el mínimo de una función aplicando algoritmo genético simple, con los parámetros especificados. Ajuste de los parámetros del algoritmo Los parámetros del algoritmo fueron ajustados mediante corridas sucesivas de prueba y error, evaluando la convergencia, el número de evaluaciones de la función de adaptación y el tiempo de ejecución. Codificación del algoritmo genético En la codificación del algoritmo se implementaron los bloques siguientes: example (m-file): Programa principal del algoritmo. objfunc (f-file): Implementación de la función objetivo (de adaptación) del algoritmo. datos (f-file): Datos del programa. preprocess (f-file): Estructuración de los datos del programa. El pseudocódigo del algoritmo diseñado para implementar el modelo de compensación es el siguiente: 1) [Datos] Lectura de datos necesarios (datasystem y datacost). 2) [Proceso de datos] Procesamiento de los datos necesarios. 3) [Inicio del AG] Generar una población aleatoria de n individuos (PopulationSize, n) con cromosomas, expresados en el vector fila [x], codificados en forma real (PopulationType, ‘doubleVector’) de longitud nvars de acuerdo al problema. 4) [Fitness] Evaluar la función Fitness (-VAN) para cada cromosoma x de la población. 5) [Nueva población] Crear una nueva población, repitiendo los siguientes pasos hasta que se cumpla la condición de parada. a)[Selección] Seleccionar dos cromosomas padres de una población de acuerdo a su Fitness. b)[Crossover] Con un porcentaje de cruzamiento del 80 % (CrossoverFraction, 0,8) crear una nueva descendencia. c)[Mutación] Con un porcentaje de mutación de acuerdo con la función seleccionada (Gauss) (MutationFcn, @mutationgaussian) modificar la nueva población. d)[Aceptar] Colocar los nuevos descendientes en la nueva población. SIEM’ 2013 8 6) [Remplazar] Usar la nueva población generada para una futura corrida del algoritmo. 7) [Test] Si la condición de salida se satisface, parar y retornar la mejor solución (cromosoma x) para la población actual. 8) [Loop] Regresar al paso 4. III. RESULTADOS Y DISCUSIONES Resultados económicos del empleo de las FARE en la Península de Araya Siguiendo el algoritmo implementado, se procedió a evaluar la factibilidad económica de la instalación de 10MW en la Península de Araya, a través de una matriz de energía eólica, solar y undimotriz, en contraposición a la generación distribuida en la propia zona. oriente venezolano, donde actualmente existe un déficit de generación estimado en 10 MW de instalación. Utilizando la técnica de algoritmo genético se logró proponer un modelo para evaluar la factibilidad económica de la capacidad de generación de cada fuente, considerando un problema de optimización sobre la base de una función de análisis económico, expresada en este caso a partir del Valor Actual Neto (VAN). La implementación del algoritmo en la Península de Araya asegura un VAN máximo, con una desviación máxima de 4% con varias alternativas. La decisión de una u otra alternativa queda a criterio del proyectista, lo cual constituye una ventaja del algoritmo debido a su comportamiento estocástico. El modelo y algoritmo puede ser recalculado para las nuevas condiciones en el momento de su implementación. REFERENCIAS Tabla 3. Datos de las FARE evaluadas. FARE Inversión (MM$/MW) Eólica Solar Undimotriz 4 8 5 Factor de mantenimiento (%) 2 2 2 Coeficiente de depreciación (%) 0 0 0 Tabla 4. Datos de las fuentes convencionales Costo (MM$/MW) instalado 1 Costo ($/MWh) generado 1460 Impacto ambiental (tCO2/MWh) 0.8 Impacto económico ambiental ($/tCO2) 11,51 Tabla 5. Datos económicos Años de explotación 3 Tasa de descuento (%) 3 Tasa de inflación (%) 1,1 Tasa de interés (%) 20,8 Tabla 6. Resusltados de las corridas Corrida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Capacidad de generación (MW) Solar Undimotriz 1,5 7,3 3,6 5,2 0 10 0,3 8,8 0,5 9,5 0 6,0 3,5 4,2 1,1 7,6 0 7,0 0,7 6,9 Eólica 1,2 1,2 0 0,9 0 4,0 2,3 1,3 3,0 2,4 Capacidad (MW) convencional 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VAN (MM$) PRI (años) 1072,90 1054,20 1090,20 1084,80 1085,40 1076,60 1051,20 1076,00 1079,90 1075,60 0,22 0,32 0,12 0,15 0,15 0,20 0,34 0,20 0,18 0,20 Tiempo de corrida 0,44 0,30 0,29 0,28 0,28 0,30 0,29 0,31 0,30 0,32 Como se puede notar, de acuerdo a los datos aportados resulta factible el empleo de las FARE en la Península de Araya, aportando una capacidad de generación de 10 MW a través de varias alternativas que aseguran un VAN máximo, con una desviación máxima de 3,7 % IV. CONCLUSIONES Los estudios técnicos preliminares de las FARE demuestran la posibilidad de empleo de la energía eólica, solar y undimotriz en la Península de Araya, como necesidad de incrementar la generación eléctrica del país hacia esa zona del [1]Asamblea Nacional de la República Bolivariana de Venezuela. (2001). Ley Orgánica del Servicio Eléctrico. Caracas: Gaceta oficial de la República Bolivariana de Venezuela. [2]Ackermann, T. (2005). Wind power in power systems. The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England: John Wiley & Sons, Ltd. [3]Alters, S. M. (2007). Energy, Supplies, Sustainability, and costs. Wylie, Texas: Information Plus. [4]American Society of Mechanical Engineers, A. (2010). Energy Choices, A Guide to facts and perspectives. New York: ASME. [5]Anaely. (2009, julio 01). http://www.cubaenergia.cu/index.php?option=com_docman&t ask=doc_details&gid=285&Itemid=58. Retrieved marzo 16, 2011 [6]Asamblea Nacional Constituyente de Venezuela. (1999). 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