Integración de energías renovables en viviendas de Bogotá, Colombia

Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula

Autores

• Sergio Ballén Zamora, Docente investigador, Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca
• Martín Perea Duque, Docente investigador, Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca
• Adriana Serrano Santiago, Docente investigadora, Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca
• Óscar Maurico García, Investigador, Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca
• Carolina Camargo Garcia, Investigadora, Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca

Resumen

Existe una falta de claridad técnica y normativa para implementar energías renovables en edificaciones de vivienda en Colombia, por tanto, este trabajo tiene como objetivo desarrollar una metodología de identificación y evaluación de la viabilidad de generación de energía por fuentes no convencionales aplicado en viviendas de Bogotá como estrategia de eficiencia energética y que apunte hacia la aplicación de edificios de consumo de energía casi nula en el país.  Para ello se identifica el marco normativo, evaluación de incentivos y caracterizar los proyectos de vivienda que se han desarrollado en la ciudad de acuerdo con las condiciones normativas, climáticas y del entorno, y su relevancia como una de las regiones más pobladas.

Palabras clave

Bogotá, Viviendas, Energías Renovables, Eficiencia Energética

Introducción

Según la Unidad de Planeación Minero Energética UPME (2015), “la dependencia mundial en el petróleo, el carbón, el gas natural y aun en los combustibles nucleares, como recursos fósiles disponibles en grandes cantidades pero finitas, las coyunturas económicas y geopolíticas asociadas, con su distribución geográfica y su dominio, han generado en muchos países la necesidad de iniciar una transición hacia el uso de recursos energéticos de carácter renovable, que a su vez contribuyan a la reducción de emisiones de efecto invernadero y a la mitigación del cambio climático que viene experimentando el planeta”.

Se denomina energía renovable a la energía que proviene de fuentes no convencionales y naturales virtualmente inagotables, ya que contienen una gran cantidad de energía o porque son capaces de regenerarse por medios naturales y con una reducida generación de impactos ambientales.

Las diferentes fuentes de energía, se puede clasificar dos grandes grupos: energías no renovables o convencionales y energías renovables o alternativas o no convencionales (vale la pena mencionar que la hidroeléctrica se considera como renovable convencional). Las energías no renovables se denominan como contaminantes pues se agotan sin poder renovarse y sus reservas son limitadas, además de las consecuencias ambientales y económicas por su extracción y alta demanda.  Por su parte, las energías renovables son denominadas como limpias porque se obtienen de fuentes naturales inagotables o de capacidad de regeneración natural, sin grandes impactos ambientales (existe algo de debate al respecto), y al ser no convencionales requieren de cierta reconversión frente a la cadena de distribución de energía tradicional.

Un estudio realizado por la Universidad Jorge Tadeo Lozano y la UPME plantea que en el año 2030 Colombia debe consumir un 30% de energías limpias o renovables no convencionales y 70% de las fuentes tradicionales (hidroeléctrica y térmica). En 2014, la generación eléctrica del sistema interconectado provenia en un 70% por hidroeléctricas, 30% por plantas térmicas fósiles, frente a un 0.6% por renovables no convencionales (UPME, 2015).

Bogotá

Bogotá es la capital de la República de Colombia, ubicada en el departamento de Cundinamarca en el centro del país, como se aprecia en la Figura 1. En ella se concentra el 17% de la población total de la nación, es considerada como una ciudad en vía de desarrollo y de alta densidad teniendo en cuenta la población total de 8.181.047 de habitantes y una densidad de 5184,44 hab/km² según proyecciones del 2005 realizada por el Departamento Nacional de Estadistica (DANE, 2005). Se constituye en el principal centro geográfico, político, industrial, económico y cultural del país, con un área de 1587 Kms² aproximadamente, por lo que también tiene la mayor demanda energética del país así como la información catastral más completa.

Los proyectos de vivienda en Bogotá se caracterizan por mantener una tipología similar en su número de habitaciones, sus áreas, son unidades en conjunto cerrado con zonas verdes, áreas sociales y parqueadero. Los proyectos multifamiliares nuevos tienen áreas de apartamento de alrededor de 60 m2, estratificación socio económica de 4 (sobre 6) y el valor del m2 promedio es de $3.700.000 COP (1047 Euros); se asume un área de la cubierta de aproximadamente 300 m2 por edificio.

Caracterización climatológica

El desarrollo poblacional que se ha presentado en la ciudad en las últimas décadas ha modificado el perímetro urbano disminuyendo considerablemente el área de zonas verdes y humedales de la ciudad, y generando cambios en los comportamientos de las diferentes variables del clima.  Lo anterior, implica un cambio directo en las variables meteorológicas, como es el caso de los regimenes de carácter térmico, dinámico y del componente hídrico en la ciudad (IDEAM, 2007). Con elevaciones entre 2500 y 2800 msnm, la temperatura media anual oscila entre 12 y 15°C para el área urbana, la cual es constante a través del año y por lo general no se usa ningún sistema de climatización.

Según la clasificación climática de la normativa Res. 549/15 sobre ahorro de agua y energía en edificaciones, Bogotá al tener un clima frío, requiere maximizar los efectos de la radiación solar aprovechando su trayectoria para calentar los espacios interiores, orientar los edificios en sentido norte – sur para aumentar su exposición a la radiación solar y evitar el ingreso de ventilación de altas velocidades al interior manteniendo suficientes renovaciones de aire en los espacios (mínima ventilación), y maximizar el aislamiento térmico para evitar el enfriamiento nocturno.

Velocidad del viento

Bogotá registra un rango menor o igual a 1.5 m/seg a lo largo del año; sin embargo, desde las 7 hasta las 10 de la mañana, la velocidad en todos los meses aumenta hasta 2.8 m/seg. Entre los meses de junio y agosto se experimenta un aumento de la velocidad desde las 7 am hasta las 12 pm, con valores superiores a 1.5 e inferiores a 3.8 m/seg. Para evaluar el aprovechamiento del potencial energético del viento, se verifica el valor de velocidad del viento en la que el vector fluye con mayor cantidad de energía cinética en un lugar y tiempo determinado, cuyo valor es representativo en el área urbana, llegando hasta 5 m/seg, como se observa en la Figura 2.

Radiación global y brillo solar

Los mayores valores se presentan en los meses de diciembre, enero, febrero, julio y agosto; y los menores valores durante los meses de las temporadas lluviosas como abril, mayo, junio, octubre y noviembre.  Los registros más altos se localizan en los sectores sur-occidental con 202 horas de sol en enero y 182 en diciembre, y al occidente (cerca del Aeropuerto El Dorado), con 190 y 159 horas de sol para los meses de enero y diciembre respectivamente.

La mayor alta radiación solar en Bogotá se presenta en los meses de enero (402 cal/cm2), febrero (372 cal/cm2), marzo (377 cal/cm2) y diciembre (370 cal/cm2), con incidencia solar; los mínimos se observan en los meses de mayo (304 cal/cm2) y junio (314 cal/cm2) (IDEAM, 2007). Según el mapa de radiación solar oficial, el centro urbano tiene una radiación solar promedio entre 4.0 y 4.5 Kwh/m2, lo cual plantea posibilidades para la implementación de paneles fotovoltaicos en techos urbanos.

Energías renovables en Colombia

Hasta hace unos años, Colombia tenía una capacidad instalada de energía renovable de 28,1 MW (excluyendo grandes plantas hidroeléctricas) que consistía principalmente en energía eólica. Recientemente, se han construido o estan en construcción diversos sistemas de generación de energía de gran escala, en orden: solar, biomasa, pequeña hidroeléctrica y eólica (principalmente granjas solares y parques eólicos) que suman una capacidad estimada de más de 1.240 MW (UPME, 2015). Los proyectos se concentran en la Guajira (925 MW), Cesar (100 MW), Santander (80 MW) y Valle del Cauca (67,79 MW), entre otras (Portafolio, 2018).

Si bien, al parecer no existen proyectos que incorporen energías renovables en proyectos de vivienda en Bogotá, en Colombia existen algunos muy recientes en Medellín y Valledupar que incluyen paneles fotovoltaicos sin pasar aún por un estudio comparativo y evaluativo post instalación, pero se prevé que esta tendencia aumentará por los incentivos del gobierno y la masificación de estas tecnologías apoyadas por la cantidad de plantas de generación en construcción.

Marco normativo

En la Figura 3 se presenta un esquema de la normatividad colombiana en materia de generación y uso de las energías renovables. A partir de la Ley 1715 de 2014 se introduce la posibilidad de entregar excedentes de la generación de energía a la red, representando ahorros o eventualmente ingresos al usuario y manejando un esquema de créditos para sistemas de autogeneración, lo cual hace económicamente más atractiva esta inversión, asi como mecanismos de financiamiento, divulgación e incentivos fiscales. No obstante, es hasta el Decreto 348 de 2017 y la Resolución CREG 30 del 30 de febrero de 2018 que se establecen los lineamientos y se regulan las actividades de autogeneración de energía a pequeña escala, menor o igual a 100 kW, así como la entrega o remuneración de excedentes a través de un medidor bidireccional.

Adicionalmente, en el último año, el gobierno ha instaurado una serie de documentos del Consejo Nacional de Política Económica y Social (Conpes) que se constituyen en la ruta de navegación en políticas nacionales; entre ellos, los mas relevantes para este trabajo son los documentos Conpes 3934 sobre crecimiento verde, 3918 sobre implementación de los Objetivos de Desarrollo Sostenible en Colombia y 3919 sobre edificaciones sostenibles. Los Conpes 3919 y 3918 plantean metas asociadas a la movilización de recursos al año 2030 para aumentar la inversión en infraestructura, la cooperación internacional, la investigaciòn y tecnología relativas a la energía limpia, incluidas las fuentes renovables; en cuanto edificaciones, se están impulsando medidas de aumento de la generación de energía limpia según lo dispuesto en la Ley 1715 de 2014, encontrando que el potencial de ahorro en la utilizaciòn de energías alternativas en sedes de entidades del Gobierno es del 2.7%.

El Conpes 3934 de política de crecimiento verde, establece con más detalle un panorama de implementación y de potencial estimado de las renovables, de las cuales, la solar tiene 1.886 MW, el eólico en la costa norte del país 20.000 MW, la biomasa (entre residuos agrícolas y pecuarios) 151.098 TJ/año, y la Geotermia entre 1.000 y 2.000 MW; de estos sistemas se contempla una capacidad efectiva neta de generación por eólica (18 MW), energía solar (10 MW), el bagazo (113 MW) e incuyen a las pequeñas centrales hidroeléctricas (216 MW). Fruto de ese diagnóstico se instauran varias líneas de acción, de las cuales son de interés la 10 y 11 sobre “Promoción de la inversión en proyectos de generación con FNCER” y “Fomento a la integración de las FNCER al mercado de energía”.

Aplicación en edificios de vivienda

En la actualidad, las tecnologías comunes de energía renovable que tienen aplicación en viviendas son la solar térmica con los colectores solares, la solar eléctrica con paneles fotovoltaicos (FV, sin duda la más aplicada), la biomasa con calderas de reacción exotérmica, la geotermia con conductores subterráneos y la mini eólica con pequeños aerogeneradores. Así mismo, la autogeneración de energía se divide principalmente en eléctrica y térmica (calefacción/refrigeración), las cuales sirven esencialmente para climatizar los espacios y como suministro eléctrico.

En el análisis de incorporación de energías renovables autónomas en la edificación, el International Renewable Energy Agency (IRENA, 2016) analiza su posible articulación en distritos térmicos y divide sus aplicaciones o usos con una o más tecnologías asociadas: calefacción, refrigeración, cocción y producción de electricidad. Si bien, la práctica general es incorporar uno o dos sistemas en edificaciones, este análisis permite pensar en una tecnología específica de energía renovable que mejor se acople a ciertos usos de una vivienda o edificación (Tabla I) y plantear mecanismos para independizar el consumo de energía en la cocina, al usar hornos alimentados con biocombustibles o biomasa.

En Colombia el aumento de la capacidad de sistemas solares FV se ha incrementado a 11,5 MWp en 2015, es decir, un 30% (frente a un 55% global) en aproximadamente en 5 años dadas sus características como modularidad, su fuente inagotable como es el sol, su facilidad en la instalación y una tendencia a la baja de los costos debido a los avances de la tecnología. Por ello, se realizó un cálculo aproximado de la potencialidad de la energía solar FV en Bogotá (replicado a todo el país), a partir del 40% del cálculo de áreas en m2 de los techos residenciales, además de estratificación, tipología unifamiliar y ocupación por propietarios, donde el potencial técnico era de 282 MWp (UPME, 2015).

Hace unos años las proyecciones dependían de dos escenarios, el primero de la reglamentación del esquema de medición y el segundo de un esquema de facturación, los cuales ya están siendo superados con las normativas recientes. Si bien los costos del sistema dependen de la tecnología (panel monocristalino o policristalino), si es certificado y su procedencia, actualmente es fácil encontrar paneles fotovoltaicos de amplia demanda, cuyo costo promedio de uno de 150w está en $330.000 COP (93 Euros), un inversor de 300w en $500.000 COP (141 Euros), el regulador de 20 amp $110.000 COP (31 Euros) y un medidor bidireccional en $800.000 COP (226 Euros).

La biomasa tiene ya una alta presencia en el sector industrial colombiano, que es todo lo contrario frente al sector residencial, con un aumento previsto del 16,7% al año 2030 gracias a sus costos constantes respecto a los combustibles convencionales fósiles. Una de las mejores opciones es el aprovechamiento de residuos agrícolas, especialmente los provenientes de la palma de aceite y de la caña de azúcar (Colombia es el séptimo en el mundo), cuyo bagazo tiene amplios estudios de transformación en bioetanol y energía; a pesar de ello no existen ejemplos de aplicación en el sector residencial.

Igualmente, la mini eólica no tiene aplicaciones en prácticamente ningún sector en Colombia, lo cual se asocia a los costos y la desconfianza hacia tecnologías no probadas localmente, a pesar de que varias regiones del país cuentan con buenas velocidades de viento. Existen muy pocos distribuidores, por lo que la adquisión de una turbina de esta escala se hace a través importadores no especializados, donde encontramos ejemplos de 400w y 1.5m de diámetro en los álabes cuyo costo promedio es de $950.000 COP (968 Euros).

Finalmente, se recopiló la información de consumo de energía de los electrodomésticos más comunes en una vivienda de apartamento tipo de acuerdo a las horas de uso al día.  Los valores de consumo total de la vivienda son de 312,18 kw al mes que tienen un valor de $154.254 COP teniendo como base un valor de $494,12 COP por kw. Esta información (Tabla II) permite el pre-dimensionamiento y la valoración de un sistema de energía renovable acorde con las necesidades tanto de cada apartamento como de un edificio o conjunto de ellos, y posteriormente evaluar su contribución en la generación de energía, la posibilidad de distritos térmicos, el impacto ambiental y si cumple con estándares de consumo de energía casi nulo.

Conclusiones

• En Bogotá se han registrado velocidades del viento de máxima energía entre 6 a 7 m/s, sin embargo, no es recomendable instalar energía eólica por la alta rugosidad a bajas alturas que disminuye las velocidades, los costos asociados, y además la mini eólica aún no tiene presencia en el mercado colombiano.
• La generación de energía por biomasa es recomendable en muchas zonas del país pero no en Bogotá, debido a que no se van a generar residuos agrícolas en el edificio ni en sus cercanías para su aprovechamiento; habría que considerar la posibilidad de usar otro tipo de combustible y el aprovechamiento de residuos en las zonas rurales próximas a la ciudad, los cuales tendrían que ser acopiados y transportados al proyecto residencial. Es necesario hacer una evaluación más detallada para saber los volúmenes de estos residuos, su calidad de poder calorífico y un espacio en la edificación para albergar la caldera, cuyas dimensiones varían en razón de la potencia generada, el rendimiento y el contenedor de almacenamiento. Por otro lado, no se tiene evidencia de casos o ejemplos de aplicación eléctrica de esta escala en Colombia.
• La opción más probable es la energía solar con paneles fotovoltaicos, debido a que Bogotá cuenta con una irradiación global horizontal entre 4.0 y 4.5 KWh/m²/día, lo que la ubica en un rango medio de aprovechamiento respecto a otras ciudades y un brillo solar de aproximadamente de 3,9 h/d; la incorporación de este sistema dependerá de la potencia de los paneles fotovoltaicos, la cantidad que se puedan disponer en la cubierta del edificio y la amortización de la inversión.
• El IRENA ha desarrollado una clasificación de acuerdo con el potencial de desarrollo y la densidad demográfica; teniendo en cuenta que Bogotá es una ciudad de alta densidad, su mayor potencial se encuentra en el transporte público eléctrico, cocinas con bioenergía y el desarrollo de distritos térmicos centralizados para calefacción y aire acondicionado.
• La cubierta del edificio y su orientación se convierte en el elemento arquitectónico que determina el uso de FV y mini eólica en el edificio. Por otro lado, la biomasa esta determinada por un espacio proyectado para ese fin.
• A partir del ejecicio de demanda de energía por vivienda, y que un edificio de vivienda colectiva de 12 pisos cuenta con aproximadamente 48 apartamentos (4 por piso), el consumo del edificio es de 14984,64 kw/mes, lo cual es difícil de cubrir casi con cualquier sistema de energía renovable, además, el área de la cubierta es escasa. La opción más viable sería identificar la demanda de energía en zonas comunes y su posible abastecimiento.

Referencias

• Departamento Nacional de Planeación, 2018. Documento CONPES 3934, Política de Crecimiento Verde. Consejo Nacional de Política Económica y Social. República de Colombia
• IDEAM, 2007. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales. Estudio de la caracterización climática de Bogotá y cuenca alta del río Tunjuelo.
• IRENA, 2016.  ­International ­Renewable ­Energy ­Agency. Renewable ­Energy ­in ­Cities. Abu­ Dhabi. ­
• UPME, 2015. Unidad de Planeación Minero Energética. Integración de las energías renovables no convencionales en Colombia. Convenio ATN/FM-12825-CO
• DANE, 2005. Departamento Nacional de Estadistica.
• Portafolio.com, 2018. Los proyectos de energía renovable que piden pista. marzo 27 de 2018.
• http://www.ser-colombia.org/index.php/energias-renovables/normatividad (17 julio 2018).