Hombre, Ciencia y Tecnología ISSN: 1028-0871 Vol. 27, No. 2, abr-jun, p.26-34, 2023
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Contribución al cambio de matriz energética en Universidad de Guantánamo
Contribution to the change of energy matrix in Guantanamo University
Autores:
Raúl Antonio Caramazana-Ferrer, https://orcid.org/0000-0002-5695-7341
Jorge Alberto Jackson-Horruitiner, https://orcid.org/0000-0002-8193-0212
Osvaldo González-Reyes, https://orcid.org/0000-0003-4295-7524
Robuam Peña-Domínguez, https://orcid.org/0000-0002-6348-0123
Gustavo Ezequiel Fernández-Salva, https://orcid.org/0000-0001-7425-8571
Organismo:
1
Universidad de Guantánamo, Cuba.
E - mail: raulacf@cug.co.cu; jorgeajh@cug.co.cu; osvaldogr@cug.co.cu; robuam@cug.co.cu;
gfsalva2019@cug.co.cu
Fecha de recibido: 7 ene. 2023
Fecha de aprobado: 19 mar. 2023
Resumen
En este trabajo se presenta un estudio de
carga realizado en los servicios eléctricos
de la Universidad de Guantánamo con el
objetivo de conocer el comportamiento de
las principales variables que lo
caracterizan y proponer vías para el
mejoramiento de los mismos. Como
resultado del análisis realizado se propone
la sustitución de los transformadores
sobredimensionados, el mejoramiento del
factor de potencia de la instalación, así
como el uso de Fuentes Renovables de
Energía como los paneles fotovoltaicos con
el objetivo de cambiar la matriz energética
de consumo contribuyendo con ello al plan
de desarrollo económico y social del país
para el año 2030. Este estudio y la
implementación de las propuestas tendrán
en el futuro un impacto en el
medioambiente pues se logrará la
reducción en la emisión de gases de efecto
invernadero y beneficios económicos pues
se logrará reducir en una cuota significativa
la facturación eléctrica.
Palabras clave: Estudio de carga; Fuentes
renovables de energía; Matriz energética;
Gases de efecto invernadero; Paneles
fotovoltaicos
Abstract
This paper presents a load study carried
out in the electrical services of the
University of Guantánamo with the
objective of knowing the behavior of the
main variables that characterize it and
proposing improvements to improve them.
As a result of the analysis carried out, the
replacement of the oversized transformers
is proposed, the improvement of the power
factor of the installation as well as the use
of Renewable Energy Sources such as
photovoltaic panels with the aim of
changing the energy consumption matrix,
thereby contributing to the country's
economic and social development plan for
the year 2030. This study and the
implementation of the proposals will have
an impact on the environment in the future,
since it will achieve a reduction in the
emission of greenhouse gases and
economic benefits since electricity billing
will be reduced by a significant amount.
Keywords: Charge study; Renewable
energy sources; Energy consumption
matrix; Greenhouse gases; Photovoltaic
panels
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Introducción
El desarrollo energético integral y sostenible se presenta como una solución prioritaria ante la
creciente demanda mundial de energía, la inestabilidad de los precios del petróleo y otros
combustibles fósiles. La disminución de las reservas naturales petrolíferas y la amenaza
ecológica que representa el esquema energético global actual que socava los límites de la
capacidad del planeta para asimilar los impactos ambientales que ocasiona, así como la
disminución de los costos de las Fuentes Renovables de Energía (FRE), sobre todo la
fotovoltaica (FV) y la eólica, y el desarrollo perspectivo del transporte eléctrico hacen
imprescindible el llevar a cabo esta política de desarrollo que maneja el ecosistema como un
todo en pos de su conservación y explotación satisfaciendo las necesidades del hombre y
asegurando la de las futuras generaciones por venir.
La satisfacción de los principales servicios energéticos del hombre por una vía basada en los
combustibles fósiles (cerca del 80 % del total mundial), conjuntamente con el desarrollo
industrial, el crecimiento de la población y su concentración en grandes urbes, ha alterado
significativamente algunos ciclos vitales en el planeta. Se ha aumentado la circulación del
carbono en un 20 %, del nitrógeno en un 50 % y del azufre en un 100 %. De acuerdo con
Viego (2007) “se descargan volúmenes crecientes de contaminantes a la atmósfera y las
aguas, provocando impactos locales como la contaminación atmosférica en las grandes
ciudades, regionales como la lluvia ácida, e incluso de alcance global como los cambios
climáticos provocados por el incremento de gases de efecto invernadero en la atmósfera”.
Los gases de efecto invernadero (GEI) son gases atmosféricos que absorben y emiten
radiación a la atmósfera y que el equilibrio entre estos procesos posibilita una temperatura
ambiente que permite el desarrollo de la vida en la tierra y además que el planeta ni se enfríe
ni se caliente manteniendo un equilibrio térmico. De no ser por estos gases, vapor de agua,
dióxido de carbono, metano, óxido de nitrógeno y ozono la temperatura sobre la tierra sería
alrededor de – 18
0
C.
De acuerdo con Blasing (2013) las actividades humanas desde el inicio de la Revolución
Industrial a finales del siglo XVIII han producido un incremento del 40 % en la concentración
atmosférica del dióxido de carbono, desde 280 ppm en 1750 a 400 ppm en 2015. Este
incremento ha ocurrido a pesar de la absorción de una gran porción de las emisiones por
varios depósitos naturales que participan del ciclo del carbono. Las emisiones de CO
2
antropogénicas (producidas por actividades humanas) provienen de la combustión de
combustibles fósiles, principalmente carbón, petróleo y gas natural, además de la
deforestación, la erosión del suelo y la crianza animal.
Mora (2013) ha estimado que si las emisiones de GEI continúan al ritmo actual, la
temperatura de la superficie terrestre podría exceder valores históricos tan pronto como
2050, con efectos potencialmente dañinos en los ecosistemas, la biodiversidad y la
subsistencia de personas en todo el mundo. Estimados de Mann (2014) sugieren que para el
2036, de continuar la trayectoria de emisiones actual, la Tierra podría superar el límite de 2
°C de calentamiento global señalado por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático,
IPCC por sus siglas en inglés, como un calentamiento global "peligroso".
El país, como parte del Plan Nacional de Desarrollo Económico y Social hasta el 2030, tiene
entre sus ejes estratégicos el de Recursos Naturales y Medio Ambiente que entre sus
objetivos plantea elevar la eficiencia energética y el desarrollo de fuentes renovables de
energía, lo que contribuye, entre otros beneficios, la reducción en la generación de gases de
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efecto invernadero, así como mitigar los efectos del cambio climático y la promoción de un
desarrollo económico menos intenso en carbono.
El estudio de carga representa una herramienta poderosa para el análisis y monitoreo de
variables de comportamiento eléctrico que caracterizan una unidad con carga consumidora
de energía eléctrica fundamentalmente. La realización del mismo en la Universidad de
Guantánamo, en los dos servicios más consumidores de la misma, ubicados en la sede
central Raúl Gómez García, ha posibilitado conocer el comportamiento de estos, monitorear
en tiempo real el consumo de energía activa, los valores máximos de demanda que se
registran así como el comportamiento del factor de potencia que tanto incide en la eficiencia
energética de una instalación y a partir de los análisis realizados incidir en la toma de
decisiones para el mejoramiento de estos indicadores y tomar medidas de tipo
administrativas y otras que contemplen inversiones aprovechando las potencialidades que
tienen para su uso hoy día las fuentes renovables de energía contribuyendo de esa manera
al cambio de matriz energética de consumo que tanto necesita el país para favorecer la
descarbonización de la sociedad.
Materiales y métodos
El Ministerio de Educación Superior es el organismo de la Administración Central del Estado
que tiene la misión de proponer al Estado y al Gobierno, y una vez aprobadas, dirigir y
controlar las políticas de educación superior referentes a la formación integral de los
estudiantes de nivel superior, la educación de posgrado, la preparación y superación de
cuadros y reservas; y dirigir y controlar el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la
innovación en las universidades y entidades de ciencia, tecnología e innovación adscriptas,
así como la extensión de su quehacer a toda la sociedad.
En este sentido la misión de la universidad es formar y superar profesionales revolucionarios
integrales, comprometidos con el desarrollo sostenible de Guantánamo; sustentados en la
ciencia, el desarrollo de la informatización de los procesos, la innovación, la calidad y la
racionalidad económica en la prestación de servicios de excelencia para Cuba y el exterior.
En el diagrama de Pareto que se muestra a continuación se puede ver la estructura de
consumo de portadores energéticos de la universidad y resalta que la energía eléctrica es el
portador de mayor consumo por lo que las principales medidas a tomar deben estar
encaminadas a la reducción del consumo del mismo sin olvidar que los demás son
importantes también.
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Figura1. Estructura de consumo de portadores energéticos
La universidad, como se mencionó arriba, es alimentada desde el punto de vista energético
por dos subestaciones que llamaremos en lo adelante servicio eléctrico # 1 y servicio
eléctrico # 2 respectivamente.
El servicio eléctrico # 1 alimenta una parte de la sede central que abarca las aulas,
laboratorio, secretaría y todo lo que se corresponde con la docencia, tiene 1 transformador
de 37,5 kVA y otro de 250 kVA, finalmente este servicio presenta una capacidad total de
287,5 kVA y una conexión Delta Abierta.
El servicio eléctrico # 2 alimenta fundamentalmente la parte de los dormitorios y el área de
servicios, el mismo tiene un banco de transformadores compuesto por 3 transformadores
monofásicos de 100 kVA, además, este circuito tiene como respaldo un Grupo Electrógeno
de Emergencia trifásico de 45 kVA, 220/127 V, los mismos están conectados eléctricamente,
suministrando un servicio trifásico con una capacidad total de 300 kVA, el cual permite que
en caso de ausencia de servicio eléctrico del Sistema Electroenergético Nacional (SEN)
algunas cargas eléctricas puedan continuar su funcionamiento entre las que se encuentran el
alumbrado, calderas para la cocción de alimentos, local de la cocina comedor, bomba de
agua, taller de mantenimiento a la instalación, oficinas administrativas, equipos de
refrigeración, entre los que podemos mencionar neveras y cajas de agua, entre otras.
Para la realización del estudio de carga en los servicios eléctricos seleccionados se utilizó un
analizador de redes de marca CIRCUTOR ARL – 5. El mismo es capaz de monitorear,
registrar y grabar varias variables eléctricas en una unidad de tiempo determinada. Este
equipo es capaz de ofrecer en forma tabular y gráfica los siguientes, entre otros, datos, como
la tensión (V), corriente (A), potencia activa (kW), potencia reactiva (ckVAr), potencia
aparente (kVA), factor de potencia (cosφ), frecuencia (Hz), etc. Este equipo posee un puerto
para después de recopilados los datos poder vaciarlos en la PC y mediante un software,
llamado POWER VISION, visualizarlos y analizarlos.
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Resultados y discusión
De las mediciones realizadas y producto del análisis de los datos registrados se detectaron
los siguientes problemas en los servicios eléctricos monitoreados:
Servicio eléctrico# 1
Se muestra una ligera desviación entre los voltajes de fase ya que de un mínimo
establecido en 2 % este alcanza el valor de un 2,37 %.
En el caso de la variación de tensión el valor alcanzado es notable por lo que se
recomienda solicitarle a la Organización Básica Eléctrica (OBE) bajar un punto en la
derivación del enrollado del transformador (tap) con el objetivo de bajar los niveles de voltaje.
Existe desviación entre las corrientes de fase muy por encima de lo normado por lo que
lo recomendable realizar un correcto balance de carga.
Cuando se analiza el consumo de energía activa (P) y aparente (S) en este servicio se
aprecia que los transformadores del mismo están sobredimensionados y que el valor de
demanda máxima registrado está muy por debajo de lo contratado con la OBE por lo que se
recomienda la sustitución de transformadores acordes a la carga conectada y la
recontratación de la máxima demanda con el organismo rector.
El consumo promedio diario registrado alcanza un valor igual a 11,2 kWh.
Servicio eléctrico# 2
No se muestra desviación entre los voltajes de fase.
En el caso de la variación de tensión el valor alcanzado es ligeramente superior a los
establecido por lo que se recomienda solicitarle a la OBE bajar un punto en la derivación del
enrollado del transformador (tap) con el objetivo de bajar los niveles de voltaje.
Existe desviación entre las corrientes de fase muy por encima de lo normado por lo que
lo recomendable es realizar un correcto balance de carga.
El factor de potencia se comporta por debajo de lo normado por lo que se necesita
corregir el valor del mismo para evitar las penalizaciones económicas de la OBE.
Cuando se analiza el consumo de energía activa (P) y aparente (S) en este servicio se
aprecia que los transformadores del mismo están sobredimensionados y que el valor de
demanda máxima registrado está muy por debajo de lo contratado con la OBE por lo que se
recomienda la sustitución de transformadores acordes a la carga conectada y la
recontratación de la máxima demanda con el organismo rector.
El consumo promedio diario registrado alcanza un valor igual a 21,2 kWh.
En la tabla se muestra el resumen de las mediciones realizadas en ambos servicios
Paramentos Evaluados
Valor parámetros
Servicio eléctrico 1
Valor parámetros
Servicio eléctrico 2
L1
L2
L3
L1
L2
L3
Voltaje Máximo (V)
251
249
259
246
249
242
Corriente Máxima (A)
140
195
80
216
270
219
Potencia Aparente 3 Փ
S (kVA)
41.4
96
Potencia Activa 3Փ P(kW)
32.2
47
Potencia Reactiva 3Փ
Q (kVAr)
13.0
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Factor de Potencia
0.730 – 0.84
0.70 – 1.00
Frecuencia (Hz)
59.8 y 60.2
59.7 – 60.2
Energía (kWh)
257.6
510.4
Capacidad T. Banco 3Փ
(kVA)
287.5
300
Tipo conexión 3Փ
3Փ Delta Abierta
Delta con Neutro
Tiempo duración Estudio
(h)
23
24
Grupo Electrógeno (kVA)
No tiene
45
Resultados cálculo
Servicio eléctrico 1
Resultados cálculo
Servicio eléctrico 2
L1
L2
L3
L1
L2
L3
Variación Tensión +/- 10 %
251
249
259
246
249
242
Desviación Tensión (≤2%)
2.37 %
1.38 %
Asimetría Carga (≤10%)
41 %
14 %
Factor Potencia
(0.90 ≤ cosՓ ≤0.97)
0.73 – 0.84
0.70 – 1.00
Frecuencia. (≤ 0.5%)
(59.7 ≤ 60 Hz ≤ 60.3)
59.8 – 60.2
59.7 – 60.2
Demanda máxima (kW)
32.2
44.1
Además, como parte del estudio y aprovechando las bondades de la energía solar así como
las capacidades disponibles en cubiertas de la sede principal universitaria, es posible la
implementación de un sistema de autogeneración eléctrica a partir de la instalación de
Sistemas Solares Fotovoltaicos de Inyección a Red (SFVCR) que sustituyan parte del
consumo anual diurno proveniente actualmente del Sistema Electro energético Nacional
(SEN) por energía limpia autogenerada y disminuir así la factura eléctrica de la institución,
convirtiéndose la energía generada por el SFVCR totalmente gratis una vez amortizada la
inversión, proceso que se verá acelerado por la venta de este tipo de energía inyectada al
SEN, en resumen, contribuir con el objetivo de país establecido en el Lineamiento 247 de la
política económica y social y el programa de desarrollo hasta 2030, de modificar la actual
matriz energética cubana logrando una mayor participación de las Fuentes Renovables de
Energía que hoy representa aproximadamente un 5 % y para el 2030 convertirlo en un 37 %.
Desde el punto de vista administrativo se deben tomar medidas para dar cumplimiento al
plan de ahorro de portadores energéticos de la organización haciendo énfasis en lo
relacionado con la energía eléctrica, portador de mayor representatividad. En el aspecto
organizacional es necesaria la recontratación de la máxima demanda contratada con la OBE
ya que se permite en el año natural el cambio de la misma dos veces. La universidad tiene
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un período lectivo y otro no lectivo, en este último tanto los trabajadores como estudiantes
salen de vacaciones por lo que se debe ajustar la máxima demanda contratada a los
consumos representativos de esos períodos y evitar pérdidas económicas representativas
que dañan la economía de la institución.
Como parte del aprovechamiento de las cubiertas en la instalación se instalarán un total de
54 módulos de 492 Wp para una potencia instalada de 21,28 kWp. Esto permitirá en el año
una generación aproximada igual a 126,4 MWh de los cuales se aprovechará el 56 %
aproximadamente y el resto se le venderá a la OBE según resolución aprobada por el
Ministerio de Finanzas y Precios (Mfp). Estos paneles permitirán un respaldo energético en el
caso de falta de fluido eléctrico lo que permitirá una mayor calidad en el proceso docente –
educativo, cubrir parte de la demanda eléctrica de la instalación con los paneles fotovoltaicos
y protección de puestos claves, así como contribuir a la disminución en la emisión de gases
de efecto invernadero a la atmósfera con un total de 108,9 t de CO
2
lo que representa un
ahorro de combustible igual a 35,4 toneladas.
En el mundo hoy en día el incremento de la generación de energía fotovoltaica es notable,
para el 2050 se estima una producción anual superior a los 10 000 TeraWatts Hora (TWh),
unas diez veces mayor que la actual, y Cuba no se queda atrás en ese sentido pues recibe
cada año una radiación solar igual a los 5 kiloWatts hora (kWh) por metro cuadrado cada día
por lo que es inobjetable el uso de la misma para la disminución de la dependencia de los
combustibles fósiles y lograr la descarbonización paulatina de la sociedad.
El gráfico que se muestra a continuación muestra la demanda cubierta por el SFVCR en caso
de ser instalado en la institución y como puede apreciarse cerca del 60 % de lo demandado
al SEN es cubierto por esta fuente renovable de energía que es una de las más importantes
y de mayor crecimiento en el mundo hoy día. Incluso en el mes de septiembre se puede
apreciar un vacío pues si estuviesen instalado el sistema de paneles fotovoltaicos la
demanda al SEN hubiese sido cubierta por los paneles fotovoltaicos.
Figura 2 Demanda cubierta por el sistema de paneles fotovoltaicos
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Conclusiones
El estudio de carga realizado en los servicios eléctricos de la universidad de Guantánamo,
específicamente en su sede central, posibilitó conocer el comportamiento de las variables
eléctricas que caracterizan al mismo como consumo activo, factor de potencia, energía
reactiva, etc. Con la sustitución de los transformadores sobredimensionados por otros de
menor capacidad se disminuyen las perdidas por trasformación y con ello una rebaja
sustancial en la tarifa eléctrica.
La recontratación de la demanda máxima dos veces en el año de acuerdo a los valores
registrados y hecho el análisis correspondiente es muy beneficioso desde el punto de vista
económico, se contrata un valor para el período septiembre – junio, período lectivo, y otro
para el período julio – agosto, período no lectivo. Por cada 10 kW que se rebaje en ese valor
contratado significaría al año un ahorro en moneda nacional igual a 11 280 CUP. La
realización de este estudio de carga le costó a la institución alrededor de 1100 CUP, el
mismo se realizó antes de la implementación de la Tarea Ordenamiento, en octubre de 2021
por lo que el costo del mismo es desde el punto de vista económico insignificante.
El mejoramiento del factor de potencia en el servicio eléctrico # 2, penalizado por la OBE
cada mes en la factura eléctrica, reporta beneficios económicos ya que cuando el mismo se
comporta entre 0,92 y 0,96 es bonificado con rebaja en la facturación. El valor de compra de
los 54 módulos de SFVCR con potencia igual a 415 Wp es igual a 1 111 572,50 CUP y 44
462,90 USD. La instalación de un sistema de parques fotovoltaicos en las cubiertas de la
sede principal permitirá una generación de energía estimada de 126,4 MWh, un ahorro de
35,4 toneladas de combustible fósil que se traduce en no emitir a la atmósfera una cantidad
igual a 108,9 toneladas de CO
2
.
Recomendaciones
Esta experiencia puede generalizarse a cualquier organización, sea de tipo industrial o no, ya
que el mismo permite evaluar el comportamiento de los principales parámetros eléctricos que
caracterizan las subestaciones que alimentan las mismas, así como la evaluación para la
instalación de fuentes renovables de energía como contribución al cambio de matriz
energética.
Bibliografía
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