Generación distribuida y su implementación en edificaciones

Resumen

El presente artículo hace una revisión de los
planteamientos más relevantes en la generación
distribuida. Si bien la comodidad que ofrece la
implementación de sistemas domóticos es uno de los
desafíos más importantes para los
diseñadores también lo es la optimización de
recursos y la autosostenibilidad que puedan ofrecer. La creciente
población a nivel mundial y enfocada con mayor presencia
en las ciudades crea la necesidad de una visión
ecológica que garantice un nivel de vida digno para todos
los humanos. El impacto ambiental que ocasiona el uso de
combustibles fósiles para abastecer de energía a
los hogares es un problema que ya ha sido planteado
décadas atrás y que cobra fuerza cada año
debido a que las consecuencias son cada vez más visibles.
El uso de energías renovables es sin duda la mejor
alternativa para llegar a una solución viable. En muchos
países, sistemas como centrales hidroeléctricas,
eólicas, nucleares o parques solares ya están
generando un importante porcentaje de la potencia total en sus
redes de distribución, sin embargo para muchas naciones
esta cifra no supera a la que se obtiene con medios contaminantes
tradicionales. Un planteamiento relativamente nuevo para la
sostenibilidad energética de edificaciones, es la
adición de una potencia extra a su microred
eléctrica que es generada en el mismo sitio o en un lugar
cercano. Para este fin existen diferentes maneras de
generación u obtención de energía
eléctrica, entre las que destacan la solar y la
eólica por su alta eficiencia.

Palabras Clave—Generación distribuida,
sustentabilidad energética, energías alternativas,
energías renovables.

Abstract—This paper offers an overview of the
most relevant approaches to distributed generation. While the
comfort of implementing automation systems is one of the most
important challenges for designers so is the optimization of
resources and self-sustainability that can offer. The growing
world population and focused level with greater presence in
cities creates the need for an ecological vision to ensure a
decent standard of living for all humans. The environmental
impact caused by the use of fossil fuels to supply energy to
households is an issue that has been raised decades ago and
gaining strength every year because the consequences are
increasingly visible. The use of renewable energy is undoubtedly
the best way to reach a viable solution. In many countries,
systems such as hydro, wind, nuclear or solar farms are already
generating a significant percentage of the total power in their
distribution networks, however for many nations this figure does
not exceeds that obtained with traditional polluting means. A
relatively new approach for energy sustainability of buildings is
adding an extra power to their electrical microgrid that is
generated in the same place or in a near place. For this purpose
there are different ways of generating or obtaining electricity,
among which solar and wind by high efficiency.

Index Terms—Distributed generation, energy
sustainability, alternative energy, renewable energy.

I.
INTRODUCCIÓN

El problema del abastecimiento energético para
las construcciones, la necesidad de establecer medidas de
protección medioambiental y la no dependencia del
petróleo son algunas de las razones por las cuales desde
hace algunos años se ha diversificado la generación
de energía eléctrica con sistemas no contaminantes.
Con esta premisa se ha ideado un nuevo enfoque en la
obtención energética, la generación
distribuida, que consiste en la generación de
energía eléctrica por medio de muchas
pequeñas fuentes de energía en lugares lo
más próximos posibles a las cargas.

Los sistemas empleados como fuentes de energía
distribuida son plantas de generación de energía a
pequeña escala (normalmente entre el rango de 3 kW a 10
kW) usadas para proporcionar una alternativa o una ayuda a las
tradicionales centrales de generación
eléctricas.

II.
CARACTERÍSTICAS DE UNA VIVIENDA
SUSTENTABLE

Una vivienda sustentable es la vivienda o barrio con
características de diseño y construcción
orientados al ahorro de agua y energía, el confort, la
accesibilidad, la seguridad y la creación de un desarrollo
económico y social. El desarrollo sustentable trata de
crear un equilibrio entre los aspectos económicos,
ambientales y sociales. [1]

Una vivienda sustentable moderna debe cumplir con
algunas características que solventan algunos de los
problemas más grandes que enfrentan las sociedades en la
actualidad y por lo tanto son enfocados básicamente la
optimización en la utilización de recursos como el
agua y la energía eléctrica considerando para esta
última la generación distribuida.

Los factores escenciales para una vivienda de este tipo
se clasifican por categorías.

A. Energías
renovables

• Uso de paneles solares en
los techos para generar electricidad.

• Turbinas de viento para
electricidad extra.

• Colectores solares para
agua caliente.

• Monitoreo frecuente en
bombas y ventiladores para minimizar la
energía.

• Vidrios con selectividad
espectral. [3][4]

B. Ahorro de
energía

• Analizadores de
energía para el consumo de energía
total.

• Conductos autoaisladores de
poliuretano para eliminar fugas y asegurar las condiciones
higiénicas.

• Almacenamiento de hielo durante la
noche, momento en el que el coste de la electricidad es
más baja y pueda ser utilizado durante el día.
[3][4]

C. Calefacción

• Calefacción
proveniente del suelo en zonas húmedas.

• Sensores de CO2 para comprobar el
retorno del aire en aire acondicionado.

• Bomba de calor proveniente del subsuelo
para regular el agua y obtener suministro caliente en invierno y
frío en verano.

• Aislamiento térmico en techo y
paredes para minimizar la acumulación y la pérdida
de calor.

• Triple acristalamiento en las ventanas
para la pérdida de calor y reducción del ruido
externo.

• Uso del calor almacenado en el concreto
y en las computadoras para el aire acondicionado.
[3][4]

D. Iluminación

• Tubos luminosos para el
alumbrado.

• Tubos de luz para la transferencia de la
luz del día exterior en los espacios
interiores.

• Multi-sensores sensibles a la luz y el
movimiento, para el control de los interruptores de
iluminación.

• Un programa basado en el tiempo para
sincronizar con el sistema de iluminación.
[3][4]

E. Ahorro de agua

• Urinarios sin
agua.

• Aprovechar la vegetación
autóctona de la zona y utilizar el mínimo de agua
al momento de hacer trabajos del paisajismo.

• Un segundo sistema de tuberías
para la reutilización de aguas grises en
inodoros.

• Sistema de riego por goteo con la
recolección de agua de lluvia. [3][4]

Figura 1. Calentador de agua a base de
energía solar [2]

III. SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS

Dentro de las diferentes formas de aprovechamiento de la
energía solar, la fotovoltaica es la única que la
convierte directamente en electricidad, sin quemar ningún
tipo de combustible por lo que no contamina, es silenciosa porque
carece de partes móviles, se instala fácilmente,
incluso por partes, generando energía eléctrica de
manera inmediata y, gracias a los recientes avances en la
materia, con poco riesgo tecnológico. [2][16]

Para la transformación de la energía de la
radiación solar en electricidad se requiere que se cumplan
tres aspectos fundamentales:

• Existencia de una
unión p-n.

• Incidencia de fotones con
energías igual ó mayor que la banda prohibida del
semiconductor.

• Producción de portadores de carga
libres (electrones y huecos), difusión y separación
de los portadores a través del campo crado en la homo
ó heterounión y coleeción final de los
portadores por los electrodos respectivos de la celda solar.
[2][5]

Una celda solar es el dispositivo donde ocurren los tres
eventos antes mencionados. La celda solar es un dispositivo
electrónico constituido por una unión p-n que
convierte directamente la energía de la radiación
solar en energía eléctrica. Al incidir la luz sobre
una celda solar genera un voltaje entre sus terminales y al mismo
tiempo una corriente que circula por un circuito externo,
produciendo una potencia P = Iu° V que puede ser empleada
para energizar cualquier instrumento o accesorio
eléctrico. [5][7]

Los paneles solares fotovoltaicos pueden reducir el
gasto en electricidad de un edificio entre un 15% y un 30%.
[20]

Figura 2. Estructura y principio de funcionamiento de un panel
solar fotovoltaico [2]

IV. SISTEMAS
EÓLICOS

Además del sol, el viento también puede
ser aprovechado en una vivienda, a través de
pequeños aerogeneradores conectados a las redes de baja
tensión. Estos sistemas de energía
mini-eólica pueden instalarse incluso en tejados, si bien
en la actualidad su destino más apropiado es la
electrificación rural.[2]

Como característica sobresaliente de esta
tecnología podemos mencionar que opera en armonía
con el medio ambiente, no afecta la vida vegetal ni el aire ni el
clima y no presenta riesgos para la salud del ser humano. La
operación de las centrales no requiere de la
combustión de sustancias ni genera emisiones de gases
tóxicos. Los requerimientos de espacio

Figura 3. Una vivienda que ha sido implementada con paneles
solares [4] para la instalación de los equipos
eólicos son menores al 5% de la superficie de
los predios; es decir, para instalar energía eólica
en algún terreno no se requiere de mucho
espacio.[2][7][13]

El diseño y la altura de la torre
que soporta al aerogenerador es importante, ya que
como se verá posteriormente, la potencia del viento es
función del cubo de su velocidad y el viento sopla
más fuerte entre más alto esté del suelo;
por ello, el eje del rotor se sitúa por lo menos a 10
metros en aerogeneradores pequeños y hasta 50 o 60 metros
del suelo en las máquinas de mil
kilowatts.[8][9]

Figura 4. Estructura de un aerogenerador [7]

El funcionamiento de un aerogenerador
casero dispone de algunos lineamientos que garantizan
efectividad.

1) Sistema de captación. Rotor compuesto por una
o varias palas que tienen como misión transformar la
energía cinética en energía
mecánica.

2) Sistema de orientación. Sólo se utiliza
en los aerogeneradores de eje horizontal para situar el rotor en
la dirección del viento.

3) Sistema de regulación. Debe de controlar la
velocidad de rotación en el eje del motor, especialmente
cuando los vientos son fuertes y pueden hacer peligrar la
estructura y poner en peligro el aerogenerador.

4) Sistema de transmisión.Transmiten
la energía mecánica

Figura 5. Implementación de un aerogenerador para una
vivienda [13] conseguida en el eje del generador para
producir energía eléctrica o trabajo
mecánico.

Los primeros aerogeneradores tenían rendimientos
del 10%, pero los más modernos utilizan sistemas de
control de manera que operan siempre con la máxima
eficiencia aerodinámica alcanzando valores de rendimiento
próximos al 50%.[10]

La mayoría de los aerogeneradores actuales son de
eje horizontal. El número de palas utilizado normalmente
suele ser de 3. Idealmente, se obtendría mayor rendimiento
cuanto menor número de palas debido a que la estela que
deja una pala es recogida por la pala siguiente, lo que hace que
esta se frene.[11][17]

Aunque idealmente el aerogenerador de una
única pala sería el de mayor rendimiento, este
tendría un pobre par de arranque. La solución
optima considerada es la de rotor de 3 palas.[11] La velocidad
del rotor de un aerogenerador comercial se elige para la
utilización óptima de la velocidad del viento
en el emplazamiento.

V. SISTEMAS
HÍBRIDOS PARA LA OBTENCIÓN DE
ENERGÍA

Para obtener la mayor potencia generada
localmente se aprovecha todos los recursos posibles de acuerdo a
la viabilidad del proyecto para un domicilio, dos de ellos que
presentan los mejores beneficios por su remdimiento y
fácil implementación son los que se han visto con
anterioridad. [18] Los sistemas revisados con anterioridad no son
tecnologías incompatibles, y algunos expertos recomiendan
sistemas híbridos o mixtos. Por ejemplo, la energía
solar térmica y la bomba de calor (un aparato que ofrece
aire acondicionado y calefacción) han dado lugar a la
denominada "energía solar termodinámica".
Según sus impulsores, aprovecha el calor del viento, la
lluvia y el sol, incluso de noche, y consigue agua caliente de
manera más eficiente que las dos tecnologías
en las que se basa. [14]

Otra opción es la combinación de la
eólica y la solar. Los días fríos y de
viento, por lo general nubosos, apenas permiten aprovechar la luz
solar, mientras que son ideales para los aerogeneradores. Por su
parte, los anticiclones suelen provocar cielos despejados con
poco viento, y por tanto, más adecuados para las placas
fotovoltaicas. Asimismo, los propietarios de sistemas mini
hidráulicos pueden instalar paneles solares
cuando la corriente de agua no cubre toda la demanda de
energía. Otra posibilidad es la unión de una
instalación solar fotovoltaica y un grupo
electrógeno. Aunque este último no es un sistema de
energía renovable, puede servir para cubrir posibles
altibajos. [15][19]

VI.
CONCLUSIONES

Desde hace mucho tiempo se ha venido buscando diferentes
maneras de generar electricidad y aprovechar los diversos
recursos naturales. Actualmente las centrales eléctricas
que utilizan energías renovables como las
hidroeléctricas, centrales nucleares o parques solares se
ubican en lugares determinados en función de ciertos
factores económicos, de seguridad, logísticos o
medioambientales, entre otros, que provocan que la mayoría
de las veces la energía se genere muy lejos de donde se
consume.

La generación distribuida da otro enfoque que
solventa muchas de estas dificultades. Reduce la cantidad de
energía que se pierde en la red de transporte de
energía eléctrica ya que la electricidad se genera
muy cerca de donde se consume, muchas veces en el mismo edificio.
Esto hace que también se reduzcan el tamaño y
número de las líneas eléctricas que deben
construirse y mantenerse en optimas condiciones.

La principal barrera a la que se enfrenta la
masificación de este sistema es su alto costo inicial, la
falta de estándares de conexión y el déficit
de oferta de estos productos.

No resulta sencillo para cualquier ciudadano el uso
energías renovables y es la conciencia ecológica
del consumidor lo que suele inclinar la balanza. Sin embargo, con
un petróleo cada vez más caro y escaso y una mayor
preocupación por el medio ambiente, y sumado al desarrollo
tecnológico y normativo, la generalización de estas
tecnologías es cuestión de unas
décadas.

En algunos casos se habla incluso de una
auténtica revolución, de la mano de la
"generación distribuida": Los consumidores
producirán, almacenarán y administrarán de
manera ecológica su propia energía, supliendo en
parte o incluso en su totalidad su dependencia de las
compañías eléctricas. Tecnologías que
hoy están poco desarrolladas podrían ser habituales
dentro de unos años logrando su objetivo inicial que es el
de optimizar los recursos disponibles.

REFERENCES

[1] Revista Eroski Consumer, "La energía
ecológica también se puede generar en casa", 2012.
[Online]. Available:
http://revista.consumer.es/web/es/20080501/pdf/

[2] Rosa de Guadalupe González Huerta, Omar Solorza
Feria, Miguel A. Valenzuela Z., "Tecnologías de
Hidrógeno y Celdas de Combustible de Fuentes Renovables",
editorial académica española, 2011

[3] Obras Grupo Expansión, "Las 23 claves para
construir una vivienda sustentable", 2013. [Online]. Available:
http://www.obrasweb.m

[4] Dr. Jorge Wolpert Kuri, "Innovación en vivienda
sustentable" [Online]. Available:
http://www.cihac.com.mx/04-CONAVIInnovacion%20en%20Vivienda%20Sustentable.pdf

[5] Photovoltaic Generation of Electricity, Rome, Italy,
edited by T.J. Coutts, G.Guazzoni and J.Luther (American
Institute of Physics, Melville, New York), (2003), p.18.;
[Online]. Available:
http://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htm.

[6] ARAUJO, Alex M et al . Simulación de la
Producción de Energía Eléctrica con
Aerogeneradores de Pequeño Tamaño. Inf. tecnol., La
Serena , v. 20, n. 3, 2009 . Disponible en <
http://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-07642009000300006&
lng=es&nrm=iso>. accedido en 22 jul. 2014.
http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642009000300006.

[7] Luis Arribas, Microgeneración y
pequeños aerogeneradores. [Online]. Available:
http://portales.ciemat.es/adjuntos_documentos/Articulo_microgeneracion.pdf

[8] Sanz-Badía, M., Val, F. J., & Llombart, A.
Método para el control de producción en
aerogeneradores eléctricos. Patent Nž ES2198212.
Extended to PCT, Argentina and Chile. (2001)

[9] Casco Guillén, J. Casa aislada
energéticamente sostenible con alimentación mixta
de aerogeneradores y placas fotovoltaicas. (2009)

[10] Trebolle, D. La generación distribuida en
España. Trabajo Especial de Grado, para optar por el
título de Master en Gestión Técnica y
Económica en el Sector Eléctrico en la Pontificia
Universidad Comillas de Madrid. Madrid, España.
(2006).

[11] Mocárquer, S., & Rudnick, H. Recursos
Renovables como Generación Distribuida en los Sistemas
Eléctricos. Taller de Energías Renovables
"Situación Mundial y Usos Potenciales en el País",
U. de Concepción, 11-13. (2005).

[12] Huacuz, J., & Jorge, M. Generación
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Boletín iie. Septiembre/octubre, 216-222. (1999).

[13] Pereda, I. Celdas fotovoltaicas en generación
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Civil Industrial Mención Electricidad, Pontifica
Universidad Católica de Chile, Escuela de
Ingeniería, Santiago de Chile. (2005).

[14] Gómez, T., Frías, P., & Cossent, R.
Redes eléctricas inteligentes. editado por la
Fundación Gas Natural Fenosa. (2012).

[15] Bustamante Paredes, K. E. Estudio de los
sistemas de Generación Distribuida (Doctoral dissertation,
Universidad del Azuay). (2013). [16] Fraunhofer ISE.
"Photovoltaics Report" 28 de julio de 2014.

[17] Mark Z. Jacobson y Mark A. Delucchi. "A Path
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2009, p. 43.

[18] Janet Marsdon Distributed Generation
Systems:A New Paradigm for Sustainable Energy

[19] García Ortega, Jose Luis et al.
Renovables 100 %. Un sistema eléctrico renovable para la
España peninsular viabilidad económica (2006)

[20] Swanson, R. M. "Photovoltaics Power Up"
(2009).

Autor:

David G. Moscoso

Estudiante de Ingeniería
Electrónica en la Universidad Politécnica
Salesiana, sede Cuenca