UNIVERSIDAD ESAN FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA EN GESTIÓN AMBIENTAL Propuesta de uso de energía solar para el suministro de energía eléctrica y mejora de la eficiencia energética en la Universidad ESAN Trabajo de Investigación para optar el grado de Ingeniero en Gestión Ambiental, que presenta: Reyes Angeles, Elizabeth Cristina Asesor: Juan Angulo Escudero Lima, junio 2019 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN II Propuesta de uso de energía solar para el suministro de energía eléctrica y mejora de la eficiencia energética en la Universidad ESAN PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN III INDICE GENERAL RESUMEN ................................................................................................................................ 8 ABSTRACT ............................................................................................................................... 8 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 10 CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 7 1.1. Descripción de la Realidad Problemática ....................................................................... 7 1.2. Formulación del Problema .............................................................................................. 9 1.2.1. Problema General. ................................................................................................. 11 1.2.2. Problemas Específicos. .......................................................................................... 11 1.3. Objetivos de la Investigación. ....................................................................................... 11 1.3.1. Objetivo General. ................................................................................................... 11 1.3.2. Objetivos Específicos. ........................................................................................... 12 1.4. Hipótesis ....................................................................................................................... 12 1.4.1. Hipótesis general. .................................................................................................. 12 1.4.2. Hipótesis específicas. ............................................................................................. 12 1.5. Variables e indicadores. ................................................................................................ 13 1.5.1. Definición conceptual. ........................................................................................... 14 1.5.2. Definición operacional. ......................................................................................... 14 1.5.3. Matriz de consistencia. .......................................................................................... 15 1.6. Justificación de la Investigación ................................................................................... 15 1.6.1. Teórica. .................................................................................................................. 16 1.6.2. Práctica. ................................................................................................................. 16 1.6.3. Metodológica. ........................................................................................................ 17 1.7. Delimitación del estudio ............................................................................................... 17 1.7.1. Espacial. ................................................................................................................. 18 1.7.2. Temporal. ............................................................................................................... 18 1.7.3. Conceptual. ............................................................................................................ 18 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 19 2.1. Antecedentes de la investigación .................................................................................. 19 2.1.1. Tesis relacionadas. ................................................................................................. 19 2.1.2. Artículos relacionados. .......................................................................................... 23 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN IV 2.2. Bases teóricas ................................................................................................................ 24 2.2.1. Energías renovables. .............................................................................................. 25 2.2.1.1. Energía solar. .................................................................................................. 25 2.2.1.2. Energía eólica. ................................................................................................ 31 2.2.1.3. Energía hidráulica. ......................................................................................... 31 2.2.1.4. Energía de la biomasa. ................................................................................... 32 2.2.1.5. Energía geotérmica. ........................................................................................ 32 2.2.1.6. Energía del mar. ............................................................................................. 33 2.2.2. Sistema fotovoltaico. ............................................................................................. 34 2.2.2.1. Tipos de sistemas fotovoltaicos...................................................................... 34 2.2.2.2. Componentes de un sistema fotovoltaico aislado. ......................................... 35 2.2.2.3. Factores que afectan el rendimiento de un Panel Fotovoltaico. ..................... 41 2.2.2.4. Mantenimiento de un sistema Fotovoltaico. .................................................. 43 2.2.3. Eficiencia energética. ............................................................................................. 43 2.2.3.1. Eficiencia energética en la edificación. .......................................................... 44 2.2.3.2. Indicadores de eficiencia energética. ............................................................. 46 2.2.4. Marco legal. ........................................................................................................... 50 2.2.4.1. Política Energética de Estado Perú 2010-2040 (Decreto Supremo nº 064-2010- EM). 50 2.2.4.2. Ley de promoción de uso eficiente de la energía y su reglamento. ............... 50 2.2.4.3. Ley de promoción de la inversión para la generación de electricidad con el uso de energías renovables (Decreto Legislativo N° 1002). ................................................... 50 2.2.4.4. Reglamento de la Ley de promoción de la inversión para la generación de electricidad con el uso de energías renovables (D.S. N° 012-2011-EM). ........................ 51 2.2.4.5. Plan energético Nacional 2014-2025. ............................................................ 51 2.3. Marco conceptual .......................................................................................................... 51 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA ......................................................................................... 54 3.1. Diseño de la investigación ............................................................................................ 54 3.1.1. Diseño. ................................................................................................................... 54 3.1.2. Tipo – Nivel de la investigación. ........................................................................... 54 3.1.3. Enfoque de la investigación. .................................................................................. 55 3.2. Metodología de implementación de la solución ........................................................... 55 3.2.1. Población y muestra............................................................................................... 55 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN V 3.3. Técnicas de recolección de datos .................................................................................. 57 3.3.1. Operacionalización de Variables. .......................................................................... 58 3.4. Técnicas de análisis de recolección .............................................................................. 58 3.5. Cronograma de actividades y presupuesto .................................................................... 59 CAPÍTULO IV: ENTORNO EMRESARIAL ......................................................................... 64 4.1 Descripción de la organización ..................................................................................... 64 4.1.1 Campus y aulas. ..................................................................................................... 64 4.1.2 Fablab ESAN. ........................................................................................................ 64 4.1.3 Convention & Sport Center. .................................................................................. 65 4.2 Reseña histórica y actividad económica ....................................................................... 65 4.3 Estructura organizacional.............................................................................................. 67 4.4 Visión, misión y valores o principios ........................................................................... 67 4.4.1 Misión. ................................................................................................................... 67 4.4.2 Visión..................................................................................................................... 67 CAPÍTULO V: DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN ........................................................... 69 5.1 Determinación y evaluación de alternativas de solución .............................................. 69 5.2 Propuesta de solución ................................................................................................... 71 5.2.1 Planeamiento y descripción de actividades. .............................................................. 71 5.2.1.1 Datos meteorológicos. ............................................................................................... 71 5.2.1.2 Demanda energética. ................................................................................................. 71 5.2.1.3 Diseño y dimensionamiento. ..................................................................................... 72 5.2.1.4 Materiales. ................................................................................................................. 72 5.2.1.5 Costo.......................................................................................................................... 72 5.2.1.6 Montaje y seguridad. ................................................................................................. 72 5.2.1.7 Mantenimiento .......................................................................................................... 72 5.2.2 Desarrollo de actividades .......................................................................................... 73 5.2.2.1 Cuantificación de parámetros meteorológicos .......................................................... 73 5.2.2.2 Demanda energética .................................................................................................. 76 5.2.2.3 Estimación de emisiones de GEI ............................................................................... 81 5.3 Medición de la solución ................................................................................................ 82 5.3.1 Dimensionamiento y diseño del sistema fotovoltaico ............................................... 82 5.3.1.1 Paso 1: Estimación del consumo ............................................................................... 82 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN VI 5.3.1.2 Paso 2. Cálculo del ángulo óptimo de inclinación de los paneles ............................. 83 5.3.1.3 Paso 3. Dimensionado del generador fotovoltaico .................................................... 83 5.3.1.4 Paso 4. Dimensionado de baterías ............................................................................. 88 5.3.1.5 Paso 5. Dimensionado del regulador ......................................................................... 90 5.3.1.6 Paso 6. Dimensionado del inversor ........................................................................... 92 5.3.1.7 Paso 7. Dimensionado de la estructura...................................................................... 93 5.3.2 Simulación de solución ............................................................................................. 94 5.3.2.1 Sistema fotovoltaico .................................................................................................. 94 5.3.2.2 Análisis de emisiones (GEI) ...................................................................................... 96 5.3.2.3 Eficiencia energética ................................................................................................. 97 CAPÍTULO VI: EVALUACIÓN ECONÓMICA PREVIA Y POSTERIOR A LA IMPLEMENTACIÓN DE LA SOLUCIÓN .......................................................................... 111 6.1 Inversión ..................................................................................................................... 111 6.2 Operación y mantenimiento ........................................................................................ 112 6.3 Ingresos ....................................................................................................................... 112 6.3.1 Ahorro en consumo eléctrico .................................................................................. 113 6.3.2 Ahorro por eficiencia energética ............................................................................. 114 6.3.3 Venta de bonos de carbono ..................................................................................... 114 6.4 Flujo de caja del proyecto ........................................................................................... 115 6.5 Indicadores de rentabilidad ......................................................................................... 120 6.5.1 Valor Actual Neto (VAN) ....................................................................................... 120 6.1.1 Tasa Interna de Retorno (TIR) ................................................................................ 120 CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................ 122 6.1 Conclusiones ............................................................................................................... 122 6.2 Recomendaciones ....................................................................................................... 123 Bibliografía ............................................................................................................................ 124 ANEXOS ............................................................................................................................... 130 Anexo I: Mapa de Irradiancia Solar promedio anual ............................................................. 131 Anexo II: Árbol de problemas ............................................................................................... 132 Anexo III: Matriz de consistencia .......................................................................................... 133 Anexo IV: Modelo de encuestas ............................................................................................ 135 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN VII Anexo V: Panel fotográfico de los 3 pisos del edificio D...................................................... 141 Anexo VI: Panel fotográfico del techo del edificio D ........................................................... 146 Anexo VII: Panel fotográfico del Monitoreo de parámetros meteorológicos ........................ 149 Anexo VIII: Resultados del Monitoreo de parámetros meteorológicos ................................ 150 Anexo IX: Hojas técnicas de los equipos usados para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico ............................................................................................................................ 163 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN VIII RESUMEN Cerca del 90% de la actividad humana urbana se desarrolla en el interior de edificios, ya sea en los hogares, en el trabajo o en otras actividades. Los edificios requieren cuantiosas cantidades de energía para la iluminación, aire acondicionado, ascensores o escaleras eléctricas, entre otros, y son responsables del 40 % de las emisiones de CO2. Por ello, este estudio se enfoca en realizar una propuesta para el aprovechamiento de energías renovables, mediante el dimensionamiento y diseño de un sistema fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica de tres pisos del edificio D de la Universidad ESAN, ubicada en el distrito de Santiago de Surco – Lima. Además, se estimará la cantidad de emisiones de CO2eq generadas por los equipos utilizados en dichos pisos y se evaluará la eficiencia energética pre y post propuesta de uso del sistema fotovoltaico. Para realizar este estudio se utilizó la metodología de auditorías energéticas, monitoreo de parámetros meteorológicos y encuestas a alumnos, profesores y trabajadores que utilizan las instalaciones del edificio D de la Universidad, obteniendo como principales resultados que los equipos que más consumen más energía eléctrica son las luminarias y el aire acondicionado. En el dimensionamiento se obtuvo una cantidad de 155 paneles solares, 374 baterías, 2 reguladores y 79 inversores, que cubren el 18.6% de la energía eléctrica demandada por los 3 pisos elegidos. Palabras clave: Energía solar, Sistema fotovoltaico, Energía eléctrica, Eficiencia energética. ABSTRACT About 90% of urban human activity takes place inside buildings, whether it is in homes, at work or in other activities. Buildings require large amounts of energy for lighting, air conditioning, elevators or escalators, among others, and are responsible for 40% of CO2 emissions. Therefore, this study focuses on making a proposal for the use of renewable energy, through the design of a photovoltaic system for the supply of electrical power of 3 floors of the building D of ESAN University, located in the district of Santiago of Surco - Lima. In addition, the PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN IX amount of CO2eq emissions generated by the equipment used in these floors will be estimated and the energy efficiency will be evaluated before and after the use of the photovoltaic system. To carry out this study, the methodology of energy audits, monitoring of meteorological parameters and surveys of students, professors and workers who use the facilities of the D building of the University were used, obtaining as main results that the equipment that consumes the most electrical energy are lighting and air conditioning. In the dimensioning, an amount of 155 solar panels, 374 batteries, 2 regulators and 79 inverters were obtained, covering 18.6% of the electrical energy demanded by the 3 floors chosen. Keywords: Solar energy, Photovoltaic system, Electric power, Energy efficiency. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN X INTRODUCCIÓN Cada día se registran niveles más críticos de contaminación en el ambiente, esto se debe principalmente a la generación de energía a partir de energías fósiles, los cuales generan altas cantidades de CO2, disminuyendo la calidad del aire que respiramos y que, además, dañan irremediablemente la capa de ozono. Esta situación sigue incentivando la búsqueda de nuevas fuentes de energía y nuevos sistemas de producción eléctrica, basados fundamentalmente, en el uso de energías renovables. En nuestro país, con la firma del protocolo de Kyoto, se incentiva la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, mediante una bonificación por tonelada de CO2 no emitida. Asimismo, el Decreto Legislativo N°1002 declara de interés nacional y necesidad pública el desarrollo de nueva generación eléctrica mediante el uso de Recursos Energéticos Renovables (RER), dentro de las cuales, destaca la energía fotovoltaica. En este contexto, este estudio tiene la finalidad de proponer la implementación de un sistema fotovoltaico, que es una tecnología que contribuirá de manera significativa a la reducción de emisiones de contaminantes, y la mejora de la eficiencia energética dentro de la Universidad ESAN. En el primer capítulo, describe la realidad problemática, los objetivos, hipótesis y justificación del estudio. En el segundo capítulo se describe el estado del arte de los sistemas fotovoltaicos y las técnicas de dimensionamiento. En los siguientes capítulos, se diseña el sistema fotovoltaico y la estructura soporte, para ello se dimensionan los componentes de acuerdo con las condiciones de sitio y demanda de energía eléctrica. El capítulo final comprende la evaluación económica y financiera del sistema fotovoltaico dimensionado, así como cálculos y comparaciones con respecto a las emisiones de CO2eq. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 7 CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Descripción de la Realidad Problemática El aumento de la población y el uso de nuevas tecnologías han provocado un incremento de la demanda de energía eléctrica, conllevando a mayores emisiones de gases de efecto invernadero (de ahora en adelante GEI), acelerando el cambio climático y a la vez repercutiendo en la economía de la población (Cieza, 2017). El cambio climático es uno de los problemas más importantes por los que está atravesando el planeta y tiene como causa principal al efecto invernadero ocasionado por la quema de combustibles fósiles como es el petróleo y el carbón. Los causantes directos de estos impactos son los seres humanos, debido al uso indiscriminado de los combustibles fósiles (Garzón, 2010). En los últimos años la situación ha empeorado, trayendo alteraciones climáticas como sequías, lluvias, altas y bajas temperaturas; afectando a todos los seres vivientes que habitan en el planeta (Falcón, 2016). Con el fin de disminuir los efectos del cambio climático y sus consecuencias en el ambiente, la comunidad internacional ha firmado diversos acuerdos internacionales a través del tiempo. Entre los más importantes se encuentran el Protocolo de Kioto (1997), el Acuerdo de Copenhague (2009), la Plataforma de Durban (2011) y el Acuerdo de París de diciembre del 2015. En este último, se ha planteado disminuir la temperatura global por debajo de dos grados centígrados (Osinergmin, 2017). Dos de los sectores que emiten más GEI en el mundo son la generación eléctrica y el transporte (Osinergmin, 2017). Dentro de este contexto, “según la International Energy Agency (IEA - Agencia Internacional de Energía), los edificios residenciales, comerciales y de servicios fueron responsables por el 34% del consumo final de energía en 2012” (Nuñez, 2015, p. 2). Actualmente, en el sector eléctrico, las energías renovables solo cubren el 22% del consumo mundial de electricidad y en el sector transporte se están desarrollando nuevas tecnologías como automóviles eléctricos y biocombustibles para mitigar las emisiones de GEI (Osinergmin, 2017). Según el Censo del 2017, del total de viviendas particulares con ocupantes presentes, 6 millones 750 mil 790 disponen de alumbrado eléctrico conectado a la red pública; mientras que 948 mil 110 viviendas no disponen de este servicio (INEI, 2017). Nuestro país depende en un PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 8 72% de los hidrocarburos y denota una gran vulnerabilidad por la dependencia del gas natural y de un solo gasoducto (Gamio, 2017). Con relación al crecimiento urbano, Nuñez (2015) afirma que: Una consecuencia del crecimiento urbano es el aumento de la demanda de energía, ya que el aumento de la población conlleva al uso cada vez más acentuado de los recursos energéticos para la satisfacción de las necesidades y confort humano, como: iluminación, calefacción, refrigeración, transporte, entre otras, lo cual trae consigo la escasez de los recursos naturales y el deterioro ambiental (p.1). Además, el crecimiento de la economía está basado en el uso de diversas fuentes de energía, por lo que se ha comenzado a dar impulso a las energías no convencionales como son la energía eólica, solar y la micro hidrogeneración, permitiendo que la Matriz Energética se diversifique (Lossio, 2016). Al respecto, en los últimos años, se experimentó un incremento en el uso de combustibles como GLP y gas natural, mientras que la utilización de combustibles tradicionales como la leña, bosta, entre otros, descendió significativamente, lo cual contribuyó a disminuir la generación de CO2. A pesar de esta mejora en el uso de energías menos contaminantes, todavía existe una importante brecha que cubrir (Osinergmin, 2017). Por este motivo, “el rol del Estado es crucial para elaborar una estrategia para cambiar la matriz energética y generar oportunidades con una política energética que garantice los servicios básicos de acceso y adecuado uso de la energía, tanto para los hogares como para fines productivos” (Gamio, 2017, p.96). Según el Decreto Legislativo N° 1002, Ley de Promoción de la Inversión en Generación de Electricidad con el uso de Energías Renovables (2008) y su Reglamento, se promueve el aprovechamiento de los Recursos Energéticos Renovables (RER) tales como: biomasa, eólico, solar, geotérmico, mareomotriz y la energía hidráulica cuando la capacidad instalada no sobrepasa de los 20 MW, en la generación de electricidad. La cultura ambiental está entrando en la vida diaria de las personas y también a los centros educativos. Algunas de las universidades más reconocidas del mundo como Harvard, Yale, universidades europeas e incluso algunas universidades peruanas como la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP), Universidad Señor de Sipán, la Universidad Peruana Cayetano Heredia (UPCH), entre otras están ayudando a hacer frente al cambio climático a través de mediciones de GEI o cálculo de sus huellas de carbono, influyendo así a otras instituciones educativas para que se sumen a disminuir su impacto. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 9 Habiendo descrito la realidad problemática, la Universidad ESAN debería formar parte de este cambio, mejorando sus procesos de gestión ambiental y aplicando nuevas tecnologías. Actualmente no existe vinculación de la institución con el uso de energías renovables en su campus educativo, sabiendo que hay un gran consumo de energía eléctrica en toda la institución. Por ello, se propone que la Universidad ESAN aproveche parte de este potencial de energías renovables que tiene en su campus, enfocándose en la energía solar, ya que es una tecnología que se hace cada vez más comercial y económica, además de otros beneficios que se desarrollarán a lo largo de este estudio. 1.2. Formulación del Problema Después de haber planteado la idea de investigación y profundizado el tema en cuestión, podemos plantear el problema de investigación. Este problema está relacionado a la delimitación del campo de investigación y los límites dentro de los que se desarrollará el proyecto. Plantear el problema es estructurar más formalmente la idea de investigación (Hernández, Fernández & Baptista, 2014). Para encontrar el problema principal, se utilizará el método de priorización por factores ponderados. Los pasos que se realizan en este método son: 1. Determinar una relación de los factores relevantes. 2. Asignar un peso a cada factor que refleje su importancia relativa. 3. Fijar una escala a cada factor. En este caso será de 1 – 10. 4. Multiplicar la puntuación por los pesos para cada factor y obtener el total para cada alternativa. Habiendo descrito la realidad problemática, sabemos que la Universidad ESAN debe encontrar una alternativa para disminuir los GEI generados por la ejecución de sus actividades y para la contribución a la mitigación del cambio climático. Por ello, se tiene que las alternativas de problema son: A: Desaprovechamiento de energías renovables: Existe disponibilidad de energías renovables (eólica, solar, biomasa) dentro de la universidad que actualmente no están siendo utilizadas y/ aprovechada. B: Aumento del consumo de energía eléctrica: El aumento de la cantidad de alumnos, profesores, etc., conlleva al aumento de consumo de energía eléctrica dentro de la universidad. C: Falta de compromiso con la eficiencia energética: Actualmente, no existen proyectos o programas de sensibilización en el uso de energía eléctrica dentro de la universidad. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 10 Para ponderar estas alternativas se utilizarán los siguientes factores:  Facilidad para encontrar bibliografía: ¿Existe disponibilidad de información actualmente?  Acceso a datos de la universidad: ¿Cuán probable es que la universidad nos brinde información como: consumo eléctrico, gastos por consumo, cantidad de alumnos, ¿entre otros?  Afinidad a la línea de carrera: ¿El problema planteado está relacionado a temas ambientales?  Afinidad por el tema: Gusto y motivación por el tema por parte del investigador.  Facilidad de implementación: ¿Cuál de estos problemas es más probable que se implemente? A continuación, se muestra la ponderación de problemas. Tabla 1: Priorización de problemas Factores Peso relativo Alternativas A B C Facilidad para encontrar bibliografía 15% 10 9 8 Acceso a datos de la universidad 10% 6 5 4 Afinidad a la línea de carrera 40% 10 4 7 Afinidad por el tema 20% 9 3 8 Facilidad de implementación 15% 7 5 8 Puntuación total 8.95 3.09 5.25 Priorización de problemas basado en el árbol de problemas encontrado en el Anexo II A: 10*0.15 + 6*0.1 + 10*0.4 + 9*0.2+ 7*0.15 = 8.95 B: 9*0.15 + 5*0.1 + 4*0.4 + 3*0.2 + 5*0.15 = 3.09 C: 8*0.15 + 4*0.1+ 7*0.4 + 8*0.2 + 8*0.15 = 5.25 Como se observa, la alternativa A tiene un mayor peso, por ello se escoge este problema como principal. El árbol de problemas se encuentra en el Anexo II. A continuación, se plantean el problema general y los problemas específicos. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 11 1.2.1. Problema General. Como se ha mencionado anteriormente, en la actualidad nuestro país depende en un 72% de los combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica, lo que lleva tener grandes emisiones de GEI. Esta energía es inyectada al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN), el cual suministra de energía eléctrica a la mayoría de la población de nuestro país. Teniendo lo anterior en cuenta, la Universidad ESAN debe buscar una manera de contribuir con la disminución de estos GEI y el beneficio de la sociedad en general, por ello se plantea el siguiente problema general: ¿En qué medida el aprovechamiento de energía solar para el suministro de energía eléctrica mejoraría la eficiencia energética de la Universidad ESAN y disminuiría las emisiones de CO2? 1.2.2. Problemas Específicos. Tomando en cuenta las causas principales que se presentan en el Anexo II: Árbol de problemas y el problema general, se plantean los siguientes problemas específicos:  ¿Qué efectos produce el uso de energía solar en la eficiencia energética de la Universidad?  ¿Qué efecto produce el uso de energía solar en las emisiones de CO2?  ¿De qué manera influyen los costos de implementación y los indicadores de medición en el uso de energías renovables? 1.3. Objetivos de la Investigación. Es necesario establecer qué pretende la investigación, para ello utilizamos los objetivos. Para Rojas (2002) “los objetivos de la investigación deben expresarse con claridad para evitar posibles desviaciones en el proceso de investigación cuantitativa y ser susceptibles de alcanzarse”; son los que guían el estudio y hay que tenerlos siempre en cuenta (Hernández, et al., 2014). 1.3.1. Objetivo General. La Universidad cuenta con disponibilidad de energía solar. Actualmente, este tipo de energía tiene diversos usos y beneficios en otras instituciones nacionales e internacionales. Este estudio se enfoca y tiene como objetivo: Mejorar la eficiencia energética y disminuir las emisiones de CO2 en el edificio D de la Universidad ESAN a través del uso de la energía solar para el suministro de energía eléctrica, a partir del año 2020. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 12 1.3.2. Objetivos Específicos.  Realizar el dimensionamiento y diseño de un sistema fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica para 3 pisos del edificio D de la Universidad ESAN y determinar los costos de inversión.  Estimar la variación de emisiones de GEI, específicamente CO2eq.  Evaluar la eficiencia energética de la Universidad ESAN pre y post propuesta de uso del sistema fotovoltaico. 1.4. Hipótesis Según Hernández et al. (2014), las hipótesis son las guías de la investigación e “indican lo que tratamos de probar y se definen como explicaciones tentativas del fenómeno investigado”. Se deben formular a manera de proposiciones y son respuestas provisionales a las preguntas de investigación (Williams, 2003 citado por Hernández et al., 2014). Las hipótesis de investigación son proposiciones tentativas acerca de las posibles relaciones entre dos o más variables. Según Hernández et al. (2014), las hipótesis de investigación pueden ser: a) descriptivas de un valor o dato pronosticado; b) correlacionales; c) de diferencia de grupos; d) causales Para este estudio se plantea una hipótesis causal, ya que para Hernández et al. (2014), este tipo de hipótesis no solo afirma las relaciones entre dos o más variables (que se detallan en el apartado 1.5.3), sino que además establece relaciones de causa-efecto. Más específicamente, se presenta una hipótesis causal multivariada, la cual relaciona una variable independiente y varias dependientes. 1.4.1. Hipótesis general. La hipótesis general es: El uso de un sistema fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica, mejorará la eficiencia energética del edificio D de la Universidad ESAN disminuyendo las emisiones de CO2 a partir del año 2020. 1.4.2. Hipótesis específicas.  El dimensionamiento y diseño de un sistema fotovoltaico suministrará hasta 10% de energía eléctrica del edificio D de la Universidad ESAN, mejorando la eficiencia energética. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 13  Las emisiones de CO2 de la Universidad ESAN disminuirán hasta 20% a partir del año 2020.  La determinación de costos de adquisición e instalación de diversos componentes necesarios para el sistema ayudará a elegir aquellos que sean más adecuados. 1.5. Variables e indicadores. “Una variable es una propiedad que puede fluctuar y cuya variación es susceptible de medirse u observarse. Las variables adquieren valor para la investigación cuando llegan a relacionarse con otras variables” (Hernández, et al., 2014). Para el caso de las investigaciones causales, como este estudio, antes de establecer causalidad debe haberse demostrado correlación, asimismo, los cambios en la causa tienen que provocar cambios en el efecto. Relacionando estos conceptos con la hipótesis, a las supuestas causas se les conoce como variables independientes y a los efectos como variables dependientes (Hernández, et al., 2014). Los indicadores nos ayudan a medir cada una de las variables. “Se podría decir que un indicador es algo que nos da algún indicio. En sentido más sofisticado, un indicador podría ser uno o varios valores estadísticos que en su conjunto constituyen un indicio” (IEA, 2016). A continuación, se mencionan los indicadores por cada variable. - Energía eléctrica generada por el sistema fotovoltaico: cuantificación de la radiación solar promedio; número de módulos fotovoltaicos, consumo eléctrico. - Dimensionamiento del sistema: demanda de energía, oferta de energía. - Eficiencia energética: Se utilizará la metodología e indicadores de la International Energy Agency (IEA), además de una auditoría energética, para luminarias y aire acondicionado. - Emisiones de GEI: Concentración de GEI, especialmente de CO2. Eficiencia energética Emisiones de CO2 Energía eléctrica generada por el sistema fotovoltaico Independiente Dependientes PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 14 1.5.1. Definición conceptual. Según Kerlinger (2002); Rojas (2001) citados por Hernández et al. (2014), se tratan de definiciones de diccionarios o de libros especializados. Estas definiciones son necesarias, pero no se vinculan directamente con la realidad, por ello, los científicos deben definir las variables que se utilizan en sus hipótesis, en forma tal que puedan ser comprobadas y contextualizadas (Hernández, et al., 2014). - Energía eléctrica generada por el sistema fotovoltaico: Energía eléctrica producida por los paneles fotovoltaicos del sistema. - Dimensionamiento: Establecer las dimensiones exactas o el valor preciso de alguien o algo. (Oxford, 2019) - Eficiencia energética: Para Ttacca y Mostajo (2017), la eficiencia energética “significa consumir menos energía manteniendo un nivel equivalente de actividades o prestaciones económicas. Es la relación entre la cantidad producida de un servicio o utilidad y la cantidad de energía consumida para proporcionarla”. - Emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) (CO2): Según el IPCC (2007), el aporte de cada gas de efecto invernadero durante un período específico de tiempo se halla por el cambio en su concentración atmosférica durante ese período de tiempo. “Los GEI de larga vida (GEILV), como el CO2, el CH4 y el N2O, son químicamente estables y persisten en la atmósfera durante décadas hasta siglos o más, de modo que sus emisiones ejercen su influencia en el clima a largo plazo” (IPCC, 2007). 1.5.2. Definición operacional. Estas definiciones especifican qué actividades u operaciones deben realizarse para medir una variable. Según Hernández et al. (2014), una definición operacional nos dice que para recoger datos respecto de una variable, hay que hacer ciertas cosas, además articula los procesos o acciones de un concepto que son necesarios para identificar ejemplos de éste (MacGregor, 2006 citado por Hernández et al., 2014). - Energía eléctrica generada por el sistema fotovoltaico: kW/h producidos al día, que permitirán conocer la eficiencia de funcionamiento del sistema. - Dimensionamiento del sistema: número de paneles, número de baterías, número de reguladores e inversores. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 15 - Eficiencia energética: Indicadores de eficiencia energética o auditorías de eficiencia energética, los que permitirán conocer el consumo de energía, las horas pico de consumo, el compromiso de los trabajadores y alumnos, entre otros. - Emisiones de GEI (CO2): La Huella de carbono ayuda a conocer la cantidad de gases de efecto invernadero emitidos directa e indirectamente a la atmósfera. Sus resultados se presentan en cantidad de CO2 equivalente. 1.5.3. Matriz de consistencia. La matriz de consistencia es un cuadro que consiste en presentar y resumir en forma adecuada, los elementos básicos del proyecto de investigación, para evaluar la coherencia y conexión lógica entre el problema, los objetivos, la hipótesis, las variables y metodología en la investigación a realizar (Vera y Ortiz, 2016). Esta matriz es presentada en el Anexo III. 1.6. Justificación de la Investigación Además de los objetivos y las preguntas de investigación, es necesario justificar el estudio explicando el para qué y/o porqué de la investigación. Se debe explicar por qué es conveniente llevar a cabo la investigación y que beneficios se derivarán de ella (Hernández, et al., 2014). Como ya se ha mencionado, esta investigación se realiza con el propósito de aprovechar las fuentes de energía renovable dentro de la Universidad ESAN, principalmente para contribuir a la acción frente al cambio climático y mejorar la eficiencia energética. Sin embargo, también contribuiría al ahorro económico y a mejorar la imagen pública de la universidad. Actualmente, la energía eléctrica que utiliza la Universidad ESAN proviene del SEIN que tiene como principal matriz energética a los combustibles fósiles, contribuyendo a la contaminación ambiental. Además, como se observa en el Anexo II: Árbol de problemas, el problema principal es el desaprovechamiento de las energías renovables, teniendo entre sus causas la baja conciencia ambiental dentro de la universidad y el aumento del número de alumnos; lo que representa un gasto constante y creciente. Al finalizar la investigación, la universidad contará con el diseño de un sistema fotovoltaico para la generación de energía eléctrica y mejora de su eficiencia energética, lo que en un futuro podría ayudar a obtener una certificación ambiental. El desarrollo de esta investigación pretende ayudar a mejorar la eficiencia energética dentro del sector educativo, utilizando para este caso, recursos e información propios de la PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 16 Universidad ESAN, para lo cual, previo al diseño del sistema y a la medición de la eficiencia energética, debe efectuarse el estudio pertinente en el que se contemple la evaluación de la oferta de energías renovables, la infraestructura existente y los aspectos de la demanda eléctrica. A continuación, se presenta la justificación (teórica, práctica y metodológica) para esta investigación a más detalle. 1.6.1. Teórica. Actualmente, la energía utilizada por alumnos, profesores y colaboradores dentro de la Universidad ESAN para realizar sus trabajos o completar sus estudios, representa un factor contaminante para el ambiente y contribuye al cambio climático. Esto también representa un gasto de dinero constante y creciente debido a que la demanda energética va aumentando año tras año con el crecimiento del número de estudiantes y servicios. Además, también conocemos que la imagen que presenta la universidad como institución verde es prácticamente nula. Esta investigación pretende cambiar estos problemas, el dimensionamiento y diseño de un sistema fotovoltaico que permitirá generar energía eléctrica dentro de la universidad, lo que va a mejorar la eficiencia energética y la imagen institucional. La Universidad necesita contar con una Política Ambiental Institucional que demuestre el compromiso ambiental con el que cuenta la Universidad para su población estudiantil y otros stakeholders involucrados, así como el país en su totalidad. Los resultados de esta investigación podrán ser incorporados como conocimiento para otras universidades u otro tipo de instituciones educativas, ya que se demostrará que el uso de energías renovables como fuentes de generación eléctrica mejora la eficiencia energética de cualquier tipo de institución. 1.6.2. Práctica. Al finalizar la investigación, la universidad contará con el diseño de un sistema fotovoltaico para la futura generación de energía eléctrica y mejora de su eficiencia energética, lo que podría ayudar a obtener una certificación ambiental. El diseño de este sistema brinda la posibilidad de utilizar energías no convencionales, de proteger al ambiente, de proporcionar energía requerida y de ahorrar en costos de uso de energía eléctrica. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 17 Con la generación de energía renovable para sustentar parte del requerimiento energético de la universidad, se dispondría de una nueva opción que además de contribuir con el ambiente y con la imagen que transmite de ser una institución verde, reduciría los costos en que incide año tras año por la energía que consume. Los beneficiarios de este proyecto serán: la Universidad ESAN como institución, los profesores, alumnos y personas que trabajen dentro de la universidad, los vecinos del distrito y otras universidades e instituciones educativas que podrán utilizar este estudio como guía. Por último, la presente investigación también pretende despertar el interés de entidades y gobiernos locales para fomentar la implementación de tecnologías limpias en sus edificaciones. 1.6.3. Metodológica. La utilización de energías renovables como fuentes de generación de energía eléctrica ayudará a mejorar la eficiencia energética de la Universidad y a la disminución de costos por consumo. El desarrollo de esta investigación pretende ayudar a dar los primeros pasos para un estudio y programa de eficiencia energética dentro del sector educativo, utilizando para este caso, recursos e información propios de la Universidad ESAN. Por las consideraciones señaladas, previo al diseño del sistema fotovoltaico y a la medición de la eficiencia energética, debe efectuarse el estudio pertinente en el que se contemple la evaluación de la oferta de energías renovables, la demanda de energía eléctrica, la infraestructura existente y los aspectos de la demanda eléctrica. Para ello se realizarán monitoreos de parámetros meteorológicos dentro de la universidad y recorridos por los tres pisos para observar los equipos eléctricos y su tiempo de uso. Para el dimensionamiento y diseño del sistema, se utilizarán programas informáticos como Microsfot Excel y Solar Pro para la simulación del sistema y su ubicación. 1.7. Delimitación del estudio Moreno (2013) señala que, “delimitar un tema de estudio significa, enfocar en términos concretos nuestra área de interés, especificar sus alcances, determinar sus límites. Es decir, llevar el problema de investigación de una situación de difícil solución a una realidad concreta, fácil de manejar” (párr. 1). Desde la óptica de Sabino (1986), la delimitación habrá de efectuarse en cuanto al tiempo y el espacio, para situar nuestro problema en un contexto definido y homogéneo (Moreno, 2013, párr. 1). PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 18 Teniendo en cuenta estas definiciones, el presente trabajo de investigación se realizará durante el año 2019 dentro de la Universidad ESAN, la que se encuentra ubicada en el distrito de Santiago de Surco, ciudad de Lima, departamento de Lima. Los datos para este trabajo se obtendrán de las encuestas realizadas a los alumnos, profesores y trabajadores, documentación, mediciones de parámetros meteorológicos, bibliografía y otros documentos relacionados a la metodología a implementar. Esta investigación se centrará en la evaluación de parámetros meteorológicos, el diseño del sistema fotovoltaico y la medición de la eficiencia energética, y se realizará dentro del edificio D de la Universidad. A continuación, se presenta la delimitación (espacial, temporal y conceptual) para esta investigación a más detalle. 1.7.1. Espacial. El presente trabajo de investigación se realizará en la Universidad ESAN, ubicada en el distrito de Santiago de Surco, ciudad de Lima, departamento de Lima. La universidad es una institución de enseñanza superior formada por diversas facultades, que otorga distintos grados académicos. Los datos para este trabajo se obtendrán de las encuestas realizadas a los alumnos, profesores y trabajadores, documentación, mediciones de parámetros meteorológicos, bibliografía y otros documentos relacionados a la metodología a implementar. 1.7.2. Temporal. Este estudio analizará las herramientas de medición de energías renovables en la Universidad ESAN durante el año 2019, además de data histórica meteorológica. Cabe resaltar que los resultados de la implementación de este estudio se verían reflejados a partir del año 2020. En esta época de preocupación por la protección del ambiente, todo tipo de organización debe tener establecidos una serie de herramientas y programas que ayuden a prevenir más efectos debido al cambio climático. 1.7.3. Conceptual. Esta investigación se centrará en la evaluación de parámetros meteorológicos dentro de la Universidad ESAN, el diseño del sistema fotovoltaico y la medición de la eficiencia energética, para lo que se usarán herramientas de ingeniería, técnicas de investigación y diagramación, como la observación directa, mediciones in-situ, entre otros. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 19 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO Según Hernández, et al. (2014), para adentrarse e investigar cualquier tema es necesario conocer estudios, investigaciones y trabajos anteriores, especialmente si uno no es experto en tal tema. El presente capítulo identifica investigaciones relacionadas al tema de tesis, detallándose la problemática, los objetivos y las conclusiones y/o soluciones adoptadas en cada caso. Se han realizado muchas investigaciones relacionadas al aprovechamiento de energías renovables a nivel internacional, incluyendo la energía eólica y solar, para el cambio de la matriz energética y la disminución de las emisiones de GEI y en algunos casos para el cumplimiento de la normativa de estos países. En el Perú, también se han realizado estudios relacionados a las energías renovables dentro de diversos sectores y en los últimos años se están realizando proyectos de energías renovables de gran envergadura para cambiar poco a poco la matriz energética del país. 2.1. Antecedentes de la investigación En las siguientes secciones se presentarán estudios realizados a nivel internacional y nacional relacionados a energías renovables, generación de energía eléctrica y eficiencia energética en diversas organizaciones, que servirán como guía para el presente estudio. 2.1.1. Tesis relacionadas. A nivel internacional se han realizado muchas tesis relacionados a energías renovables para la generación de energía eléctrica. Por ejemplo, tenemos a Martínez (2014), quien hizo un estudio en el Laboratorio de Automatización de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Querétaro (UAQ), teniendo como problemática la alta demanda de electricidad en el sistema de alumbrado, debido a que las lámparas se encuentran encendidas tanto en pasillos como en las aulas la mayor parte del día. Es por ello que decide realizó su tesis titulada: “Implementación de un sistema de celdas fotovoltaicas para el alumbrado del laboratorio de automatización de la facultad de ingeniería de la UAQ”, la que tuvo como objetivo implementar un sistema fotovoltaico interconectado a la red eléctrica, que abastezca de energía eléctrica con 15.79 kW/h por día al sistema de iluminación del Laboratorio de Automatización de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Querétaro. Martinez concluyó que se puede ahorrar 40 kWh/día lo que se traduce en un ahorro del 42%, viéndose reflejado en un ahorro económico en el pago de electricidad que consume la Facultad de Ingeniería de la UAQ. Resaltó que la inversión inicial es algo elevada, pero su retorno es de mediano a largo plazo, PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 20 ya que después de recuperar lo invertido, el resto de la energía producida se considera como ganancia. De León (2008), en su estudio “Generación eléctrica fotovoltaica en la facultad de ingeniería USAC y estudio del aprovechamiento”, presentó el problema del sector académico de la Universidad de San Carlos, ya que requería un monto considerable de energía eléctrica para el uso de sus instalaciones. Ello apoyó al diagnóstico de factibilidad para la iluminación del Edificio T – 6, Auditórium Francisco Vela, de la Facultad de Ingeniería, USAC, por medio de generación de energía fotovoltaica, presentando dos opciones de Instalación de Energía Renovable por medio de paneles fotovoltaicos, el cual se clasificó como Proyecto 1: A la Instalación Convencional con uso de acumuladores (Baterías) y Proyecto 2: A la Instalación no Convencional sin uso de acumuladores (Baterías). Se concluyó que ambas alternativas no fueron factibles en términos financieros, sin embargo el Valor Presente Neto del Proyecto 2, representa el 24.02 % del Valor Presente Neto del Proyecto 1, haciendo que este se pueda considerar como una alternativa con consideraciones no necesariamente económicas, como son las relacionadas a producción de Energía Limpia, amigable con el ambiente, sobre por el hecho de que no usa acumuladores (Baterías), los cuales al desecharse, recurrentemente cada 5 años, y no tener un tratamiento adecuado, contraviene el enfoque ambiental. En la Universidad Autónoma de Occidente en Colombia, en el año 2011 se trabajó en el diseño y la construcción de un generador solar fotovoltaico, que incluyó los cálculos necesarios para determinar la radiación solar, la posición del panel, la cantidad de paneles, el cálculo del inversor y el cálculo del rendimiento energético de la instalación, también basándose en las condiciones meteorológicas de la Universidad, con el propósito de realizar su instalación y que sirviera como herramienta pedagógica para los que deseen ampliar sus conocimientos (Gutiérrez y Franco, 2011). Al igual que a nivel internacional, en el país se han realizado muchas tesis relacionadas a este tema. Entre ellas tenemos a Chercca (2014), que en su tesis “Aprovechamiento del recurso eólico y solar en la generación de energía eléctrica y la reducción de emisiones de CO2 en el poblado rural La Gramita de Casma” (tesis de maestría) de la Universidad Nacional de Ingeniería, aborda el problema de la Caleta de pescadores “La Gramita” que se encuentra ubicada en las costas de la provincia de Casma, en el departamento de Ancash. La población no contaba con el servicio de energía eléctrica, por ello, se consideró el uso de sistemas eólicos o híbridos eólicos-fotovoltaicos, aprovechando las características específicas de la zona del PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 21 litoral de la costa en Casma, tanto en recurso eólico y solar, para generar electricidad con fuentes renovables. En este trabajo se pretendió determinar en qué medida el aprovechamiento del recurso eólico y solar en centros poblados aislados de la red de servicio público influye en la reducción de las emisiones de CO2 y la mejora de la calidad de vida del poblador, mitigando los impactos ambientales. La hipótesis general que se planteó fue: el aprovechamiento del recurso solar y eólico para generar Energía Eléctrica con el sistema hibrido permitirá reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera y mejora la calidad de vida en la población rural “La Gramita”. Por último, se concluyó que los sistemas híbridos son fiables, pues tienen una ventaja al aprovechar dos fuentes de alimentación energética (el sol y el viento), de esta forma se reduce el tamaño de la batería en comparación con un sistema de una sola tecnología y también se demostró que el costo de un sistema hibrido eólico-fotovoltaico equivale al 70% del costo de un sistema netamente eólico con baterías, y que el costo relativos respecto a un sistema de generación netamente solar con baterías representa el 60% del costo total de inversión. Quiñonez (2015), en su tesis “Evaluación de los recursos eólico y solar en la ciudad de Juliaca de la región de Puno” de la Universidad Nacional de Ingeniería, aborda la situación de la ciudad de Puno en donde el viento es casi constante pero no se aprovecha y se estima que existe muy buena cantidad de recurso solar. Por estas razones se realizó un estudio detallado del recurso eólico y solar que permitiría desarrollar proyectos como bombeo de agua, generación de energía eléctrica para zonas aisladas o proyectos productivos de cualquier especie en donde se pueda utilizar esta energía de forma sostenible. Este trabajo tuvo como objetivo evaluar el potencial de los recursos eólico y solar de la cuidad de Juliaca, Provincia de San Román de la región de Puno. Para ello, utilizaron los datos proporcionados por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología de Puno (SENAMHI-Puno) y la base de datos meteorológicos de la NASA (National Aeronautics and Space Administration); con las cuales determinaron las tendencias mensuales del promedio de la velocidad del viento durante todo el año, la dirección predominante del viento en el que se hace la rosa de viento para la zona y las velocidades extrapoladas a diferentes alturas del suelo. En lo que se refiere al recurso eólico, se tuvo como conclusión que se presentó un mayor potencial en los meses de primavera-verano, en los que se superan los 3 m/s de promedio mensual a una altura de 25 m de altura. Los meses de noviembre y diciembre presentaron un promedio de velocidad mensual más alto del año que corresponde a 3,38 m/s. Con relación al recurso solar se obtuvo que el máximo valor para la ciudad de Juliaca se encuentra al mediodía entre las 11:00 y 12:00 horas, siendo noviembre el PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 22 mes con mayor radiación solar en un plano horizontal con promedio de 7,74 (W/m2) y el de menor valor junio con un promedio de 4,85 (W/m2). Bravo y Gamarra (2016), en su tesis “Diseño de un Sistema Fotovoltaico para satisfacer la demanda de energía de los laboratorios de Ingeniería Electrónica en la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo” enmarca dentro de sus lineamientos la integración de un sistema fotovoltaico en el Laboratorio de Ingeniería Electrónica ya que este consumía una proporción considerable de consumo de energía comparado al consumo total de la Universidad. Una de las grandes preocupaciones de la administración de la UNPRG eran los altos consumos de energía eléctrica, que repercutían en un fuerte pago económico, como este tipo de gastos no está subsidiado por el estado, afecta el desarrollo de los programas de carácter académico, institucional y de servicios; y aunque muchas veces se trató de sensibilizar a todos los componentes de la Universidad como Docentes, Administrativos y Alumnos referente a la adopción de una cultura de consumo mesurado de energía, las características de las actividades que en esa Institución se realizaban requerían que se mantengan las luces prendidas la mayor parte del día. Después del dimensionamiento y diseño, este trabajo concluyó que se logró plantear el diseño en base a una metodología utilizando el software METEONORM 7.0, la pinza amperimétrica y las hojas de datos de los equipos del laboratorio. La radiación en el departamento de Lambayeque fue de 5.1 Wh/m2 por día de irradiación solar, durante 5 horas. La demanda energética total del Laboratorio fue de 27723.60 w de potencia y el presupuesto total de los equipos para la implementación del sistema fotovoltaico fue de $36,205. Por último, al igual que Bravo y Gamarra (2016), Valdiviezo (2014), hizo un estudio desarrollado en una universidad del país. Su tesis lleva de título “Diseño de un sistema fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica a 15 computadoras portátiles en la PUCP”, e indicó que cada día se registran niveles más alarmantes de contaminación en el medio ambiente, esto se debe principalmente a la generación de energía mediante métodos convencionales, los cuales generan altas cantidades de CO2, por ello, el estudio indica la necesidad de desarrollo de nueva generación eléctrica mediante el uso de Recursos Energéticos Renovables (RER). Este estudio tuvo como objetivo fomentar el interés e investigación en energía renovable por parte de la comunidad con estudios superiores, mediante el diseño de un sistema fotovoltaico aislado para abastecer a 15 computadoras portátiles en la PUCP. Fue necesario conocer las características de los equipos que conforman una instalación fotovoltaica aislada y se utilizó bibliografía de autores con presencia en la industria. Además, se elaboró PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 23 una lista de exigencias, recopilación de condiciones sobre el sitio, obtenidos de la Estación climatológica Hipólito Unanue en la PUCP y se estimó la demanda del consumo energético. Se tuvo como conclusión: La factibilidad del proyecto no debe ser una decisión netamente económica. Se deben tomar en cuenta varios factores como los citados a continuación: Reducción de emisiones de GEI, fomentar el interés del uso e investigación de los RER y estrategia de marketing institucional. 2.1.2. Artículos relacionados. Además de las tesis realizadas a nivel nacional e internacional, también podemos encontrar diferentes estudios relacionados al tema alrededor del mundo. Por ejemplo, Soontiens et al. (2017), realizaron un estudio denominado “Suitability Map of Dalhousie’s Studley Campus Renewable Energy Potential” el cual tenía como objetivos crear un mapa de activos que subraye el potencial de la universidad para aprovechar fuentes de energía alternativas como la solar y la eólica en el Campus Studley y descubrir qué edificios del Campus cumplen con los requisitos mínimos para aprovechar la energía solar, el viento energía o ambos. Encontraron que hay un beneficio significativo para la implementación de dicho proyecto en un campus universitario. Aparte de los beneficios financieros a largo plazo, ofrece una gran oportunidad para promover la conciencia de la energía y estimular la innovación adicional. También recomendaron que la Universidad Dalhousie comience a recaudar fondos y asignar más dinero para futuros proyectos de energía renovable. La energía no renovable no puede durar para siempre, y cuando llegue el momento de cambiar a renovable como la eólica y la solar, será de ayuda tener ya los fondos. Por otro lado, en Estados Unidos se realizó un estudio para evaluar el uso energético en edificios educacionales. El propósito de este artículo es evaluar la viabilidad de las políticas generales de sostenibilidad, como los Sistemas de Calificación de Edificios para lograr la eficiencia energética en los edificios de los campus universitarios. Se analizaron las tendencias de consumo de energía de 10 edificios con certificación Leadership in Energy & Environmental Design (LEED) y 14 edificios sin certificación LEED en una universidad importante en los Estados Unidos. La intensidad de uso de energía (EUI) de los edificios LEED fue significativamente mayor (EUILEED = 331.20kBtu / sf / año) que los edificios sin LEED (EUInon-LEED = 222.70 kBtu / sf / año); sin embargo, la mediana de los valores de EUI fue comparable (EUILEED = 172.64 y EUInon-LEED = 178.16). También se realizaron análisis para explorar más a fondo el impacto de la certificación LEED en el rendimiento energético de PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 24 los edificios universitarios. Se obtuvo como conclusión de que no se observaron diferencias estadísticamente significativas entre edificios certificados y no certificados a través de una serie de criterios de comparación sólidos. Luego, estos hallazgos se desarrollaron para idear estrategias para lograr políticas de energía sostenible para los edificios de los campus universitarios y para identificar posibles problemas con las comparaciones de rendimiento energético en el nivel de la cartera (Agdas, Srinivasan, Frost, & Masters, 2015). Por último, Chakraborty, Sadhu, & Pal, (2015), realizaron un estudio denominado “Technical mapping of solar PV for ISM-an approach toward green campus”. Este documento apunta hacia el primer paso para el enfoque de campus verde para el Campus de la Escuela de Minas de India (ISM). Se realizó un estudio comparativo de los desempeños de nueve diferentes paneles solares comercializados, fabricados con tecnología Maxeon Cell, HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer), silicio monocristalino (Mono C-Si), silicio policristalino (Poly C-Si), Micromorph, SCHOTT, silicio amorfo (a-Si), CIGS y tecnologías CdTe en condiciones ambientales de la ISM. Este sistema suministraría la demanda de electricidad durante el día del campus de ISM, así como el uso eficiente de las enormes áreas de techo de diferentes edificios para la puesta en marcha de la planta fotovoltaica. Este sistema garantiza una reducción media diaria de 8 MWh de consumo eléctrico de la red. El resultado de este estudio es que se observa un rendimiento superior para los módulos hechos de tecnología de silicio amorfo bajo la variación típica de temperatura y condiciones ambientales secas del campus ISM. 2.2. Bases teóricas La demanda de energía y de servicios para el desarrollo social y económico, va en aumento. Todas las sociedades necesitan de servicios energéticos para cubrir las necesidades humanas y para los procesos productivos. Aproximadamente, desde 1850, la utilización de combustibles de origen fósil (carbón, petróleo y gas) ha aumentado mundialmente hasta convertirse en el suministro de energía predominante, situación que ha dado lugar a un rápido aumento de las emisiones de CO2 (IPCC, 2011). Hay diferentes opciones para disminuir las emisiones de GEI, sin dejar de cubrir la demanda mundial de servicios energéticos. Además de su gran potencial para mitigar el cambio climático, las energías renovables pueden aportar otros beneficios. Si se utilizan de forma adecuada, pueden contribuir al desarrollo social y económico, favorecer el acceso y la PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 25 seguridad al suministro de energía, y reducir sus efectos negativos sobre el medio ambiente y la salud (IPCC, 2011). 2.2.1. Energías renovables. Se llama energías renovables (ER) a aquellas que se producen de forma continua, son inagotables a escala humana y se renuevan continuamente, a diferencia de los combustibles fósiles, de los que existen unas determinadas cantidades o reservas, agotables en un plazo más o menos determinado. Muchas de las energías renovables provienen de la energía del sol, siendo las principales formas que existen: la biomasa, hidráulica, eólica, solar, geotérmica y las energías marinas (ITC, 2008). Además, según Fernando (2015) son una fuente de energía amigable, ya que contribuye al cuidado del ambiente y se les conoce también como energía limpia, porque no produce gases contaminantes (Jeri y Sacha, 2017). Según el IPCC (2011), hay un proceso de varios pasos mediante el cual se convierte la energía primaria en un portador de energía (calor, electricidad o trabajo mecánico), y luego en un servicio de energía. Existe una variedad de tecnologías de ER, las que pueden servir para satisfacer necesidades de servicio de energía. Las ER pueden suministrar electricidad, energía térmica y energía mecánica, así como producir combustibles, entre otros. 2.2.1.1. Energía solar. El Sol, de forma directa o indirecta, es el origen de todas las energías renovables, exceptuando la energía mareomotriz y la geotérmica (ITC, 2008). Para Rodríguez (2008), la energía solar es la potencia radiante producida por el sol, como resultado de reacciones nucleares de fusión (Jeri y Sacha, 2017). Una parte importante de la energía solar se emite a través de los rayos solares que se propagan en el espacio en forma de energía electromagnética. El sol emite radiación en toda la gama del espectro electromagnético, sin embargo, para los fines del aprovechamiento de su energía, solo es importante la llamada radiación térmica, que incluye: la ultravioleta (UV), la radiación visible (VIS) y la radiación infraroja (IR) (Vega y Ramirez, 2014). De esta energía que llega a la atmósfera, una parte es absorbida por la atmósfera y por el suelo, y otra parte es reflejada directamente al espacio desde el suelo. Es por esto por lo que menos de la mitad de la radiación solar llega efectivamente a la superficie terrestre, siendo esta parte la que podemos utilizar con fines energéticos en nuestro planeta (ITC, 2008). PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 26 La energía solar es un recurso de energía abundante. En solo una hora, la cantidad de esta energía interceptada por la Tierra es mayor a la del consumo de energía del mundo durante todo el año, con lo que se demuestra que este tipo de energía también tiene un potencial para mitigar el cambio climático igualmente impresionante (IPCC, 2011). Algunas de las tecnologías obtenidas de la conversión de energía solar que tienen una amplia gama de aplicaciones de servicio de energía son: iluminación, calefacción, agua caliente para edificios e industria, calor solar de alta temperatura para energía eléctrica e industria, conversión fotovoltaica para electricidad y producción de combustibles solares, como por ejemplo hidrógeno o síntesis gas. La energía solar llega a la tierra de 3 formas (ITC, 2008):  Radiación directa: es la radiación que nos llega directamente del Sol, sin haberse desviado ni cambiado de dirección, por no haber incidido con nada en su camino. Esta radiación es la que produce las sombras. Es el tipo de radiación predominante en un día soleado.  Radiación difusa: es la radiación que nos llega después de haber incidido con cualquier elemento de la atmósfera (polvo, nubes, contaminantes, etc.), por lo que ha cambiado de dirección. Es el tipo de radiación predominante en un día nublado.  Radiación reflejada o albedo: es la radiación reflejada por la superficie terrestre; cobra importancia en las zonas con nieve, con agua (como cerca del mar o de una presa) o cualquier otra zona donde la reflexión sea importante. La radiación global: es la suma de la radiación directa y la radiación difusa. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 27 Figura 1: Componentes de la radiación solar que llegan a la superficie terrestre. Fuente: ITC, 2008. En el caso de Perú, según Correa y Gonzales (2018), el territorio peruano, cuenta radiación solar durante mucha parte del año. Según el Atlas Solar del Perú elaborado por el Ministerio de Energías y Minas, nuestro país tiene una elevada radiación solar anual siendo en la sierra de aproximadamente 5.0 a 6.5 KWh/m2, 5.0 a 6.0 kWh/m2 en la Costa y en la Selva de aproximadamente 4.5 a 5.0 kWh/m2. Para la medición de radiación solar que llega a la superficie terrestre se utilizan los siguientes instrumentos:  Piranómetro: que mide la radiación global o la difusa, según se le ponga un anillo de sombra (difusa) no (global).  Pirheliómetro: que mide la radiación directa.  Pirgeómetro (o albedómetro): que mide la radiación reflejada o albedo. El Sol puede aprovecharse energéticamente de dos formas conceptualmente diferentes:  Como fuente de calor: energía solar térmica de baja y media temperatura.  Como fuente de electricidad: energía solar fotovoltaica y solar térmica de alta temperatura. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 28 Figura 2: Tecnologías que se emplean para el aprovechamiento de la energía solar 2.2.1.1.1. Energía solar térmica. Bravo y Gamarra (2016), definen la energía solar térmica como el aprovechamiento de la energía del Sol para generar calor mediante el uso de colectores o paneles solares térmicos. El funcionamiento de estos sistemas es simple: la radiación solar es captada y el calor se transfiere a un fluido (generalmente agua o aire). Para poder aprovechar la energía solar térmica se usa el captador solar o placa solar. El fluido calentado se puede usar directamente (por ejemplo, para calentar agua en piscinas) o indirectamente mediante un intercambiador de calor (por ejemplo, en el caso de la calefacción de una habitación) (ITC, 2008). Según Vega y Ramirez (2014), la energía térmica captada puede utilizarse de forma pasiva o activa como se muestra en la figura 2. La energía térmica pasiva se aprovecha mediante el acondicionamiento de los edificios según diseño propio de la arquitectura bioclimática. Por otro lado, la energía térmica activa se llama así porque requiere de una fuente energética adicional para iniciar su funcionamiento. Se puede clasificar, en función del margen de temperatura que se requiera, en tecnologías de baja temperatura: menor de 90°C; media temperatura: entre 90 y 400°C; alta temperatura: mayor de 400°C. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 29  Baja temperatura: Son las más extendidas y se destinan a aquellas aplicaciones que no exigen temperaturas del agua superiores a los 90 ºC, como, por ejemplo, la producción de agua caliente sanitaria (ACS) para viviendas y polideportivos, apoyo a la calefacción de viviendas, calentamiento de agua para piscinas, etc.  Media temperatura: Destinada a aquellas aplicaciones que exigen mayores temperaturas del agua, como por ejemplo, el calentamiento de fluidos para procesos industriales y la desalinización de agua de mar. También puede utilizarse para la generación de electricidad mediante la conexión del fluido caliente hasta 400°C.  Alta temperatura: Destinada a aquellas aplicaciones que requieran temperaturas del agua superiores a los 400ºC, como es el caso de la generación de vapor para la producción de electricidad. Los sistemas más estudiados son los colectores discos parabólicos y la torre central. 2.2.1.1.2. Energía solar fotovoltaica. El fundamento de energía solar fotovoltaica es el efecto foto-voltaico, que consiste en captar la radiación solar y transformarla en energía eléctrica, a través de unos dispositivos semiconductores denominados células o celdas fotovoltaicas. La energía fotovoltaica permite producir electricidad para redes de distribución, abastecer viviendas aisladas y alimentar todo tipo de aparatos (De León, 2008). Un panel o módulo fotovoltaico, está constituido por células fotovoltaicas conectadas entre sí y alojadas en un mismo marco. Estas células se conectan en serie, en paralelo o en serie-paralelo, en función de los valores de tensión e intensidad deseados, formando los módulos fotovoltaicos (ITC, 2008).  Célula o celda fotovoltaica: es un dispositivo formado por una delgada lámina de un material semi-conductor, frecuentemente de silicio. Puede ser Silicio Mono-cristalino: de rendimiento energético entre 15 - 17 %; silicio poli-cristalino: con rendimiento entre 12 - 14 %; silicio amorfo: con rendimiento menor del 10 %. (Tinoco y Huamaní, 2013). Se compone de dos partes unidas, formando un emparedado como se observa en la figura 3. El cristal de silicio puro no posee electrones libres, por lo que es un mal conductor eléctrico; para cambiar esta característica, se añaden porcentajes de otros elementos, a lo que se llama dopada (Jeri y Sacha, 2017). La parte superior es dopada de manera controlada con fósforo para darle un carácter negativo (electrones libres) o tipo N y la parte posterior es dopada con boro para darle un PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 30 carácter positivo (déficit de electrones) o tipo P (Martínez, 2014). Cada célula solar se compone de una capa fina de material tipo N y otra con mayor espesor de material tipo P, estas capas unidas, exactamente la unión P-N, generan un campo eléctrico debido a los electrones del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P (Jeri y Sacha, 2017). Figura 3: Efecto fotovoltaico dentro de los paneles solares. Fuente: Martínez, 2014.  Efecto fotovoltaico: Proceso mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad. Para entender como sucede hay que saber que la luz solar está compuesta de diferentes tipos de partículas llamadas fotones, los cuales están compuestos por diferentes tipos de energía, desde luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, rayos gamma y rayos x (Jeri y Sacha, 2017). Cuando los fotones inciden sobre una celda fotovoltaica pueden ser reflejados, absorbidos o pueden pasar a través de ella; solo los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando la radiación (luz) incide sobre la célula fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Los electrones son orientados y fluyen de la capa "P" a la capa "N", debido al campo eléctrico generado en la unión P-N. Con la ayuda de un conductor externo, se conecta la capa negativa (N) a la positiva (P), generándose un flujo de electrones (corriente eléctrica) PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 31 en la conexión, el cual se mantendrá mientras la luz continúe incidiendo en la célula (Jeri y Sacha, 2017). En la sección 2.2.2, se desarrolla los componentes de un sistema fotovoltaico y su funcionamiento para la obtención de energía eléctrica. 2.2.1.2. Energía eólica. La energía eólica es la energía proveniente del movimiento de las masas de aire que se deben principalmente a la diferencia de presiones de distintos lugares de la atmósfera (Vega y Ramírez, 2014). La energía eólica es la que contiene el viento en forma de energía cinética, y esta puede ser transformada en otro tipo de energía como la mecánica, eléctrica, hidráulica, etc. Actualmente, una de las formas más utilizadas para el aprovechamiento a gran escala de la energía eólica es a través de las denominadas aeroturbinas (ITC, 2008). Del Atlas eólico del Perú, elaborado por el Ministerio de Energía y Minas (MINEM), se puede deducir, en términos generales, que el potencial más significativo de energía eólica, se encuentra en la costa, sobre todo en los departamentos del Norte (Piura, Lambayeque) y del sur (Ica, Arequipa). 2.2.1.3. Energía hidráulica. La energía hidráulica es la energía cinética del movimiento de masas de agua o de la energía potencial del agua disponible a una cierta altura (Vega y Ramirez, 2014). Hoy en día, la energía hidráulica se utiliza para producir electricidad en las centrales hidroeléctricas. El agua, retenida en un embalse o presa, se deja caer por una tubería que al final tiene una turbina, el eje de esta comienza a girar al caer al agua; este giro pone en marcha el generador eléctrico obteniéndose así la electricidad (ITC, 2008). Una de las ventajas más importantes de la producción de electricidad con energía hidráulica es que puede ser constante y previsible, a diferencia de la gran mayoría de las renovables, por lo que se puede utilizar para satisfacer la demanda eléctrica base (ITC, 2008). Según Bravo y Gamarra (2016), “en un curso de agua, la energía que esta posee y puede entregar para otros usos, se compone de un salto (energía potencial respecto de un nivel de referencia) y un caudal (energía de movimiento o cinética)”. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 32 Mientras que el agua situada en una posición vaya perdiendo altura, va ganando velocidad. La disminución de la energía potencial se transforma en energía cinética, salvo las perdidas debido a los razonamientos en los conductos (Bravo y Gamarra, 2016). 2.2.1.4. Energía de la biomasa. Según Vega y Ramirez (2014), se entiendo por biomasa al conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial de esta. Las fuentes de biomasa que se utilizan para la obtención de energía son (ITC, 2008):  Biomasa natural: Puede ser de origen natural (como es el caso de la leña). No se debe hacer un aprovechamiento sin control de este tipo de biomasa ya que se podrían destruir sus ecosistemas.  Biomasa residual: Se produce en explotaciones agrícolas, forestales o ganaderas; también se generan residuos orgánicos en la industria y en las ciudades, denominados en este último caso RSU (Residuos Sólidos Urbanos).  Cultivos energéticos: En estos casos los terrenos no se producen alimentos sino a cultivos que se aprovechan energéticamente. Cualquier tipo de biomasa se realiza inicialmente por medio del proceso de la fotosíntesis, mediante el cual los vegetales son capaces de captar la energía solar y almacenarla en los enlaces de las moléculas orgánicas que forman su biomasa (Bravo y Gamarra, 2016). Como fuente de energía presenta una enorme versatilidad ya que permite obtener, mediante diferentes procedimientos, tanto combustibles sólidos como líquidos o gaseosos (Vega y Ramirez, 2014) y varias aplicaciones energéticas como: energía térmica, eléctrica, mecánica y biocombustibles (Bonilla y Romero, 2014). 2.2.1.5. Energía geotérmica. La energía geotérmica es aquella energía que se obtiene del calor natural interno de la Tierra y que se transmite por conducción térmica hacia la superficie (Vega y Ramirez, 2014). “La energía geotérmica procede de la diferencia entre la temperatura de la superficie terrestre y la de su interior, que va desde una media de 15ºC en la superficie a los 6000ºC que tiene el núcleo interno” (ITC, 2008). Las áreas con mayores recursos geotérmicos son aquellas en que el magma está muy cerca de la superficie terrestre, con zonas de corteza terrestre delgada o fracturada (anillo PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 33 de fuego). Las fuentes geotérmicas, según sus características y magnitud calórica, pueden ser aprovechadas para generar electricidad (alta entalpía), y para usos directos del calor (baja entalpía) (Bravo y Gamarra, 2016). Para producir electricidad se aprovecha la salida del vapor de las fuentes geotérmicas, que accionan turbinas que ponen en marcha generadores eléctricos. 2.2.1.6. Energía del mar. Bravo y Gamarra (2016), mencionan que la potencialidad de la energía del mar está en su abundancia, ya que 3/4 partes de la superficie de la tierra están cubiertas por el mar, por lo tanto, reciben la mayor parte de la energía procedente de la radiación solar. El aprovechamiento de la energía del mar puede ser de tres tipos: energía de las mareas (mareomotriz), energía de las olas y energía térmica oceánica.  Energía de las mareas (mareomotriz): Las mareas son cambios periódicos del nivel de los océanos, debido principalmente a la atracción gravitatoria de la luna, en menor medida del sol, y al movimiento de rotación de la tierra (Vega y Ramirez, 2014). El comportamiento de las mareas varía, aunque presenta periodicidad. En la mayoría de las costas se dan dos mareas al día, y en otras aparece solo una al día (Bravo y Gamarra, 2016). Para generar energía eléctrica a partir de las mareas se requiere construir un dique que almacena agua convirtiendo la energía potencial de esta en electricidad por medio de una turbina (Bravo y Gamarra, 2016).  Energía de las olas: Vega y Ramirez (2014), mencionan que esta energía es una forma concentrada de energía eólica, ya que, el viento al soplar sobre la superficie del océano, transmite parte de su energía y forma las olas, las cuales son una fuente potencial de energía motriz. Una de las características de las olas es su capacidad de desplazarse grandes distancias, sin pérdida de energía. Según el ITC (2008), la energía cinética contenida en el movimiento de las olas puede transformarse en electricidad de distintas formas. Además, el Consejo Mundial de la Energía (WEC) ha estimado la potencia mundial de este recurso en unos 2000 GW, estando la mayor parte concentrada en los océanos Atlántico y Pacífico.  Energía térmica oceánica: Según el ITC (2008), el gradiente térmico se produce por la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie (20ºC o más) y la del fondo (puede oscilar entre 0 y 7ºC), estas diferencias son mayores en algunas zonas del planeta como el ecuador. Para el aprovechamiento energético es suficiente una diferencia de 20 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 34 °C. La transformación de energía térmica en eléctrica se lleva a cabo mediante un líquido que se evapora para luego pasar por una turbina, pudiendo ser un ciclo abierto o cerrado (Bravo y Gamarra, 2016). 2.2.2. Sistema fotovoltaico. Un sistema fotovoltaico es un conjunto de dispositivos que produce energía eléctrica a partir de la radiación solar (Jeri y Sacha, 2017). Técnicamente, este sistema puede producir tanta energía como se desee, sin embargo, existen limitaciones desde el punto de vista económico. Para ello, se requiere un conjunto de equipos integrados para realizar 3 funciones básicas: transformar directa y eficientemente la energía solar en energía eléctrica, almacenar la energía generada y entregar la energía producida y almacenada a los consumidores (Vega y Ramirez, 2014). 2.2.2.1. Tipos de sistemas fotovoltaicos. Para el ITC (2008), las instalaciones solares fotovoltaicas se dividen en dos grandes grupos: sistemas aislados (sistemas autónomos sin conexión a la red eléctrica) y sistemas conectados a la red eléctrica. Sin embargo, también existen los sistemas híbridos. A continuación, describiremos cada uno de estos. 2.2.2.1.1. Sistema fotovoltaico conectado a la red. Estos sistemas se instalan en zonas que disponen de red eléctrica y su función es producir electricidad para venderla a la compañía eléctrica (ITC, 2008). Son sistemas atractivos para zonas urbanizadas cercanas a la red eléctrica. Estos sistemas producen energía eléctrica por paneles solares, pero no necesitan baterías, ya que se convierte la energía producida por los paneles, mediante un inversor, y la entrega a la red eléctrica convencional (Jeri y Sacha, 2017). 2.2.2.1.2. Sistema fotovoltaico aislado. Están constituidos por los paneles solares, los que producen energía. Esta energía se debe acumular o almacenar en baterías, ya que servirán para distribuir la energía almacenada en su interior, para luego redirigirse a nuestros electrodomésticos y bombillos en el hogar (Jeri y Sacha, 2017). Cabe resaltar que es posible utilizar este tipo de instalación solar en el día, la noche, días en donde hay poca radiación solar, alta nubosidad o días muy despejados, teniendo siempre energía disponible (Jeri y Sacha, 2017). Es importante citar, PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 35 que también no solo se puede utilizar en zonas alejadas de la red eléctrica, sino que también se puede utilizar este sistema en ciudades o regiones donde hay suministro energético, pero con el fin reducir el consumo energético y disminuir en el costo del recibo de energía (Jeri y Sacha, 2017). Para este estudio, abordaremos los sistemas aislados, ya que en nuestro país aún no existe normativa para sistemas conectados a la red. 2.2.2.1.3. Sistema fotovoltaico híbrido. La diferencia entre este sistema y los anteriores es que, además de contar con los paneles fotovoltaicas para recoger energía, utilizan algún otro sistema para generar energía, es decir, usan otro tipo de energía auxiliar, como puede ser: un generador diésel, hidráulico, eólico. De este modo garantizan el suministro eléctrico (Jeri y Sacha, 2017), aumentando la confiabilidad de la instalación, ya que se evita la dependencia de un solo medio de generación, como lo es el fotovoltaico. (Cieza, 2017). 2.2.2.2. Componentes de un sistema fotovoltaico aislado. Los sistemas fotovoltaicos aislados, como tales están constituidos de las siguientes partes:  Paneles Fotovoltaicos  Reguladores de Carga (controladores)  Baterías  Inversores Los que serán descritos a continuación. PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 36 Figura 4: Componentes de un sistema fotovoltaico aislado Fuente: https://bester.energy/blog/aplicaciones-sistemas-energia-fotovoltaica-aislados/ 2.2.2.2.1. Módulo o panel fotovoltaico. Los módulos fotovoltaicos son estructuras robustas y manejables sobre la que se colocan las células fotovoltaicas. Dichas celdas se aprovechan del efecto fotovoltaico (explicado en la sección 2.2.1.1.2), teniendo una respuesta que es determinada por los mismos parámetros que describen a una célula (Bravo y Gamarra, 2016). La mayoría de los paneles son rígidos, pero ya existen paneles flexibles. Las conexiones eléctricas son hechas en serie para alcanzar el voltaje deseado y en paralelo para la cantidad de corriente deseada (Martínez, 2014). Los módulos pueden tener diferentes tamaños, siendo los más utilizados los que tienen superficies que van de los 0,5 m2 a los 1,3 m2 y constan normalmente de 36 células (Tinoco y Huamaní, 2013). Los paneles solares se caracterizan con los siguientes parámetros:  Corriente de cortocircuito (Icc/Isc): Es la intensidad máxima de la corriente que circula en un panel conectado en corto circuito. Su valor es proporcional al área superficial y la radiación luminosa. El valor típico para la corriente de cortocircuito esta dado en unidades de amperes (Abad y Flores, 2016). PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 37  Tensión o Voltaje de circuito abierto (Vco): Es la diferencia potencial entre los bornes de la celda si no hubiese paso de corriente entre los bornes del mismo, es decir, es la tensión en los terminales de conexión cuando no hay ninguna carga conectada en el panel (Correa y Gonzales, 2018). Su valor es directamente proporcional al número de celdas asociadas en serie y varia muy poco con la intensidad luminosa.  Potencia máxima (Pmax) o Potencia pico: Es el valor máximo de potencia que se obtiene entre el producto de la corriente por la tensión de salida del módulo fotovoltaico (IxV). Es la máxima potencia que puede entregar el panel en un determinado momento (Correa y Gonzales, 2018). Esta potencia se mide en condiciones estándar STC (Radiación solar = 1000 W/m2, Temperatura = 25 °C; Masa de aire = 1,5).  Factor de forma (FF): Es un parámetro de mucha utilidad, ya que nos da una idea de la calidad de las células fotovoltaicas, porque es una medida de lo escarpada que es su curva característica, cuanto más se aproxima a la unidad, mayor potencia puede proporcionar. Es la relación de la potencia máxima con el producto de la intensidad en cortocircuito y la tensión en circuito abierto (Abad y Flores, 2016).  Eficiencia total del panel (η): Corresponde al porcentaje de energía eléctrica generada en relación con la cantidad de energía luminosa recibida desde el sol, cuando el panel se encuentra conectado a un circuito eléctrico. Conocer este parámetro es esencial, de acuerdo con la zona geográfica donde se va a emplear, ya que con estos datos se puede reducir el costo del sistema, debido que su eficiencia está en relación a su costo (Jeri y Sacha, 2017).En la tabla N° 2 podemos encontrar eficiencias de diversos tipos de celdas solares. El comportamiento eléctrico de los paneles está dado por las curvas de corriente v/s voltaje (curva IV) o potencia v/s voltaje (curva PV). Cada panel tiene una curva característica, bajo las condiciones estándares de prueba mencionadas anteriormente. La corriente nominal (Imp) y el voltaje nominal (Vmp) del panel se alcanzan en el punto de máxima potencia. Tabla 2 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 38 Eficiencia de diversas celdas solares Fuente: Jeri y Sacha, 2017 Los módulos fotovoltaicos tienen estructuras variadas, dependiendo de los diferentes fabricantes. En forma general un módulo solar puede estar formado por: Cubierta exterior, capa encapsulante anterior, células fotovoltaicas, capa encapsulante posterior, protección posterior, marco soporte y contactos eléctricos de salida (Tinoco y Huamaní, 2013). Figura 5: Corte transversal de un panel fotovoltaico Fuente: Tinoco y Huamaní, 2013 PROPUESTA DE USO DE ENERGÍA SOLAR PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA UNIVERSIDAD ESAN 39 2.2.2.2.2. Baterías. La energía producida por los paneles solares se caracteriza por su variabilidad tanto diaria como estaciona. Esto afecta negativamente a la disponibilidad de la energía y, consiguientemente, a su autonomía. Para evitar este inconveniente es necesario incluir en el sistema los acumuladores eléctricos o baterías (Jeri y Sacha, 2017). Estas almacenan la electricidad generada por los paneles para poder utilizarla, por ejemplo, en horas en que la energía consumida es superior a la generada por los módulos o bien de noche (ITC, 2008). En su apariencia externa, las baterías para uso fotovoltaico no difieren de aquellas usadas para autos; sin embargo, internamente las baterías para aplicaciones fotovoltaicas son de ciclo profundo, lo cual significa que pueden descargar una cantidad significativa de energía antes de que requieran recargarse y así proveer, durante muchas horas, corrientes eléctricas moderadas (Vega y Ramírez, 2014). Según Valdiviezo (2014), los principales parámetros que determinan el comportamiento de la batería son:  Capacidad de descarga: Es el producto de la intensidad de descarga por el tiempo que actúa. Se expresa en Amperios Hora. Si la temperatura es mayor a la indicada en el catálogo, la capacidad disminuye; si la temperatura es menor, puede afectar la vida útil de la batería.  Profundidad de la descarga: Es el porcentaje de la capacidad total de la batería que es utilizada durante un ciclo de carga/descarga. Para aplicaciones fotovoltaicas es común utilizar baterías de descarga profunda, es decir, descargas entre 75% - 80%.  Ciclo de vida: Cantidad de cargas/descargas que llega a tener la batería. La vida útil depende del espesor de las placas, concentración del electrolito y principalmente de la profundidad de descarga. Los principales tipos de batería disponibles en el mercado son los mencionados a continuación:  Plomo-Ácido: Las baterías de este tipo se utilizan ampliamente en sistemas fotovoltaicos, la unidad de construcción básica de una batería de cada celda de 2 V. La capacidad de almacenaje de energía de una batería dep