SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS

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1 MÓDULO VI SELECCIÓN DE TECNOLOGÍAS Sponsored by

2 Índice 1 Introducción Coste de electrificación equivalente Costes variables Cálculo del LEC Tecnologías eléctricas en entornos aislados Energía solar fotovoltaica Grupo electrógeno Energía eólica Eólica+ diesel Conexión a red Herramienta de comparación de tecnologías Datos del emplazamiento Datos de la demanda y económicos Baterías Energía solar fotovoltaica Grupo electrógeno Energía eólica Eólica Diesel Conexión a red Comentarios al modelo Anexo I: Fórmulas financieras. Deducción del factor de actualización Ejercicios FUNDACION ICAI SUNEDISON

3 1. Introducción En este módulo se va a explicar un procedimiento simplificado para hacer una comparación entre el coste global de las diferentes alternativas para electrificar una instalación. En primer lugar se explicarán unas fórmulas económicas para después analizar cada tecnología eléctrica, sus características principales identificando las ventajas e inconvenientes y localizando las principales fuentes de coste. En este módulo no se va a entrar al detalle de cómo funciona cada tecnología ni cómo se realiza el diseño en detalle. El objetivo de este módulo es tener una idea general de cada tecnología y el aprendizaje del uso de la herramienta que se facilita. Con esto, se podrá hacer una estimación inicial de cuál es la tecnología más adecuada para una determinada situación. Es importante destacar que se trata de un método bastante simplificado y que se debe usar solo como primera aproximación. En caso de que sean varias las tecnologías que resulten interesantes para un emplazamiento, habrá que analizar con más profundidad cada tecnología o tomar la decisión final considerando otros aspectos (conocimiento de la población de la tecnología a usar, características de dicha tecnología ). 2. Coste de electrificación equivalente El objetivo principal de este apartado es explicar los distintos tipos de costes y distinguir la fuente de los mismos. Cada tecnología tiene unas características que hacen que los costes se distribuyan de forma muy diferente. Por ejemplo: unas tienen costes de mantenimiento bajos pero a cambio tienen un coste de inversión elevado. En otros casos, hay tecnologías cuya inversión inicial es reducida pero se incurren costes para obtener su fuente de energía. Para poder hacer una comparación necesitamos un parámetro que unifique el coste para todas las tecnologías. Se podría utilizar cualquier parámetro de análisis de inversiones que tenga en cuenta el incremento del valor de los productos con el tiempo, es decir, la inflación. En este análisis se va a utilizar el coste de electrificación equivalente o LEC por sus siglas en inglés, Levelised Electricity Cost. LEC: Indica el coste medio anual que se incurre a lo largo de la vida útil de la instalación descontando la inflación por unidad de energía producida. Dicho de forma más sencilla: expresa lo que tendríamos que pagar cada año de forma constante por unidad de energía a lo largo de la vida útil para sufragar todos los costes. En este modelo se van a considerar dos tipos de costes que detallaremos a continuación: FUNDACION ICAI SUNEDISON 3

4 Coste de inversión Costes variables 2.1 Son aquellos costes en los que se incurre al construir la instalación. En el modelo, para la mayoría de las tecnologías, los costes de inversión se considerarán proporcionales a la potencia necesaria. (En la realidad no existen equipos de cualquier potencia por lo que este coste no será completamente exacto). Los costes de inversión se van a repartir proporcionalmente a lo largo de la vida útil de la instalación. 2.2 Costes variables Nos referimos a aquellos gastos realizados a lo largo del proyecto. El ejemplo más claro sería la compra de combustible. Como ya hemos comentado, necesitamos comparar el gasto inicial que supone la inversión inicial con este coste variable. La fórmula para hacer este cálculo es el factor de actualización (τ). τ : factor de actualización para costes periódicos K: tasa de inflación. n: número de años (vida útil de la instalación) Cómo se utiliza este factor? El coste promedio que estamos buscando es el producto del factor de actualización ( ) por el gasto total a lo largo de toda la vida útil a precio del día en el que se analiza la inversión. También se utilizará esta fórmula para tener en cuenta los costes de reemplazo de las baterías. Para quien esté interesado en la deducción de la fórmula del factor de actualización puede consultar el anexo I 2.3 Cálculo del LEC 4 FUNDACION ICAI SUNEDISON

5 El coste de electrificación equivalente (LEC) para cualquier tecnología será el coste de inversión dividido por el número de años más los costes variables considerados según la fórmula anterior, todo ello dividido por la energía generada al año: : [$] : número de años (vida útild e la instalación) [años] :Costes variables [$/año] : Energía generada al año[$/año] En resumen, para calcular el LEC de cada tecnología de generación vamos a identificar siempre en un primer lugar los costes de inversión y los costes variables. Dentro de estos últimos, tendremos costes periódicos (a lo largo de la vida útil) y costes puntuales que se incurrirán en un determinado momento. 3. Tecnologías eléctricas en entornos aislados La energía eléctrica destaca frente a otras formas de energía por la facilidad que tiene para ser transformada en otras energías (mecánica, cinética, calorífica, ) y viceversa. En este curso nos vamos a centrar en aquellas fuentes de energía cuyas características las hacen útiles para aplicaciones en entornos aislados. De forma general, serán interesantes aquellas que destaquen en algunas de las siguientes características: Disponibilidad y coste del recurso energético. Facilidad de mantenimiento. Modulabilidad. La tecnología a considerar debe ser suficientemente adaptable como para que los equipos sean acordes a la capacidad requerida y no sea necesario sobredimensionar una instalación. A continuación se presentan las tecnologías más utilizadas en entornos aislados, sus componentes fundamentales resaltando aquellas características que tienen un mayor impacto en el coste. 3.1 Energía solar fotovoltaica La energía fotovoltaica básicamente transforma la luz solar en energía. Para ello se utilizan unos paneles fotovoltaicos y una serie de equipos que adaptan la electricidad de los paneles a la instalación. Como recurso energético en un entorno aislado, las características fundamentales son las siguientes: Recurso: La fuente de energía es la luz solar que es gratuita y renovable. Su gran ventaja es que el coste del recurso es nulo. Almacenamiento. Si el abastecimiento de energía es crítico, (no hay sol todos los días que FUNDACION ICAI SUNEDISON 5

6 se necesita energía) se requerirán baterías para almacenar la energía eléctrica. El principal inconveniente de las baterías es su coste, que es bastante alto mientas que su vida útil es relativamente corta (depende de la tecnología utilizada). Por tanto, en el caso de esta tecnología para calcular el LEC tendremos los siguientes costes: Costes variables LEC de la energía solar fotovoltaica Coste de la instalación y mantenimiento La energía no nos cuesta, tan solo sería el reemplazo de las baterías, si las hubiera. Además, cabe mencionar que mantener una instalación implica también un gasto, y por tanto, un coste. En este modelo simplificado se van a incluir dentro de los costes de la instalación. 3.2 Grupo electrógeno Un grupo electrógeno básicamente consiste en un generador diesel que propulsa un generador eléctrico. Se trata de una tecnología muy madura por lo que es bastante competitiva. Recurso: La fuente de energía es el petróleo. Tiene la ventaja de que es completamente gestionable y por tanto no requiere sistemas de almacenamiento. Por contra, se requiere incurrir en el coste de adquisición de dicho combustible. Por otro lado, se trata de un sistema más complejo debido a que se utilizan varias máquinas rotativas (motor diésel, generador eléctrico) que necesitan mantenimiento. Por tanto, en el caso de esta tecnología para calcular el LEC tendremos los siguientes costes: Costes variables LEC de un grupo electrógeno Coste de la instalación Coste del combustible y mantenimiento En el caso de esta tecnología no es necesario realizar una estimación de la energía generada. 3.3 Energía eólica En este caso, el viento, a través de unas palas genera un movimiento giratorio que propulsa un generador eléctrico. Recurso: Del mismo modo que ocurre con la energía solar, tenemos la gran ventaja de que el viento es un recurso que no tiene coste alguno para el usuario. 6 FUNDACION ICAI SUNEDISON

7 Almacenamiento: También presenta el mismo inconveniente que la energía solar, es necesario utilizar baterías para almacenar energía para cuando sea necesaria. De hecho, este problema es aún más acuciado que en el caso de la energía solar debido a que el viento es mucho más variable. Esto significa que podemos encontrarnos con épocas de mucho viento seguidas de otras en las que el viento sea demasiado escaso. Esto conlleva la necesidad de contar con baterías de mayor tamaño para asegurar la disponibilidad. Por tanto, en el caso de la energía eólica para calcular el LEC tendremos los siguientes costes: Costes variables LEC de la energía eólica Coste de la instalación y mantenimiento La energía no supone un coste pero sí las baterías, habría que considerar la sustitución de las mismas. 3.4 Eólica+ diesel Teniendo en cuenta la elevada incertidumbre en la disponibilidad de viento, otra opción a considerar en caso de utilizar esta tecnología es su utilización en paralelo con otras tecnologías. Lo más común es combinarla con generadores diésel. Esto tiene la ventaja de que se elimina de un plumazo la necesidad de almacenamiento de energía. En estos casos el grupo electrógeno es el responsable principal de cubrir la demanda y el generador eólico nos supone un ahorro de combustible. Tendremos un coste de instalación mayor que si solo hubiera diésel pero tendremos un menor coste variable de combustible. Costes variables LEC de energía eólica + grupo electrógeno Coste de la instalación y mantenimiento Coste del combustible 3.5 Conexión a red Por último, es importante considerar la posibilidad de conectarse a una red eléctrica y no funcionar aisladamente. En este caso hay que considerar por un lado el coste de la instalación para conectarse a la red eléctrica y por otro el coste de la energía eléctrica que se nos suministre. Además habrá que valorar si la red provee un suministro suficientemente seguro como para confiar en ella o si habrá que considerar la instalación de baterías. Costes variables Coste de la instalación y mantenimiento Coste de la electricidad FUNDACION ICAI SUNEDISON 7

8 4. Herramienta de comparación de tecnologías Para este curso se os proporciona una herramienta que realiza el análisis que se ha comentado basándose en este análisis de costes. A continuación se repasan los datos de entrada que se necesitan para el modelo. Dado que casi todas las fórmulas utilizadas son lineales, la herramienta se ha realizado en Excel. En el Excel encontraréis tres hojas, Parámetros, Cálculos y Producción Eólica. Parámetros : En esta primera hoja se deben introducir los datos que el modelo necesita. Además aparecen datos ejemplo de casos de estudio de la tesis doctoral en la que se basa el procedimiento que se propone. Estos datos han servido para validar el modelo, pero son susceptibles de ser revisados para adaptarse al país de estudio, a la evolución que ha habido en las diferentes tecnologías, en definitiva a la actualidad. Cálculos : En esta segunda hoja, la parte izquierda emplea los datos de entrada que vienen de la hoja parámetros. Para ver el impacto de cada dato se podrían modificar aquí. No obstante, dado que el Excel se quedaría modificado, se deben hacer los cambios en la hoja de parámetros. Producción Eólica : Esta hoja se utiliza para estimar la producción eólica. Para ello se utiliza una potencia de un aerogenerador ejemplo. Para hacer un estudio más adecuado, se debería de utilizar la curva de potencia real del aerogenerador que se está considerando. A continuación analizaremos los datos que nos solicitará la herramienta Excel. 4.1 Datos del emplazamiento Información Geográfica Irradiación en emplazamiento Viento Altura de la medición de viento Distancia en MT a la red Distancia en BT a la red W/m2 m/s m km km Con estos datos se pretende caracterizar el recurso que hay en el emplazamiento para cada tecnología. La irradiación, dato de la disponibilidad de horas de sol, veremos en siguientes módulos cómo podemos estimarla. Para la velocidad de viento será necesario hacer una medición en el propio emplazamiento del recurso disponible. 8 FUNDACION ICAI SUNEDISON

9 4.2 Datos de la demanda y económicos Generales Demanda diaria Wh/dia Factor de forma de la curva de carga W/Wh Tasa de descuento - Para estimar estos datos en una situación real se utilizará lo aprendido en el módulo anterior acerca de la curva de demanda. El factor de forma de la curva de carga no es más que el cociente entre la potencia máxima y la energía diaria, datos obtenidos en dicho módulo. Por otro lado, la tasa de descuento será un dato desconocido. Se utilizará la inflación en los últimos años. Dado que es fácil probar varios valores, recomendamos a la hora de seleccionar una tecnología comprobar el impacto que tiene este valor en el resultado final. 4.3 Baterías Baterías Rendimiento de la batería - Profundidad de descarga - de una batería h años Costes O&M Baterías h Dado que se trata de un componente con un coste importante y que se usa en varios sistemas, le hemos dedicado un apartado. En sistemas aislados habitualmente se utilizarán baterías que no requerirán mantenimiento a costa de una menor vida útil. No obstante la herramienta considera las dos posibilidades y por tanto figura como dato de entrada. 4.4 Energía solar fotovoltaica Fotovoltaica Autonomía de la batería días de los módulos p de los módulos años Costes de O&M Paneles p Eficiencia paneles - FUNDACION ICAI SUNEDISON 9

10 Inversor años Costes O&M Inversor Eficiencia inversor - Los datos necesarios para modelar la tecnología fotovoltaica se pueden resumir en: rendimientos para estimar cual es el tamaño de la instalación que se necesita costes de inversión costes de operación y mantenimiento. 4.5 Grupo electrógeno Grupo electrógeno Consumo de combustible Costes de O&M Gen. Diesel Precio del combustible litros/kwh años p /L En el caso del grupo electrógeno, además de costes de inversión y mantenimiento hay que estimar el coste del combustible. 4.6 Energía eólica Minieólica Autonomía de la batería (días de calma) días años Costes O&M Gen. Eólico Eficiencia - Altura de buje m Para la tecnología eólica los datos de entrada son similares a los de la tecnología fotovoltaica. Se añade la altura de buje que junto a los datos de partida nos permite estimar la energía que aportará el generador eólico. 10 FUNDACION ICAI SUNEDISON

11 4.7 Eólica Diesel Eólico-diésel Coeficiente de diseño - Consumo de combustible L/kWh del generador diesel años Costes de O&M Gen. Diesel Precio del combustible /L Altura de buje del aerogenerador m Eficiencia del aerogenerador - del aerogenerador del aerogenerador años Costes de O&M del aerogenerador A la hora de combinar energía eólica y diésel necesitamos los datos de ambas tecnologías. Los datos varían porque se han considerado equipos 4.8 Conexión a red Conexión a red línea de MT línea de BT CT Costes de O&M línea de MT Costes de O&M línea de BT Costes de O&M CT Costes de acometida Coste del kwh años /km /km /km /km h Como se puede ver, en este caso tenemos diferentes costes de inversión y el coste de la energía eléctrica. Aunque no está considerado en este modelo, también se podría considerar la utilización de baterías junto a la conexión a la red eléctrica. FUNDACION ICAI SUNEDISON 11

12 4.9 Comentarios al modelo Efectos que no se están teniendo en cuenta: No se tiene en cuenta que en el mercado no existen aparatos para cualquier potencia. Los costes de mantenimiento se están aproximando proporcionalmente al coste de la instalación. El modelado de la producción eólica depende del aerogenerador y de la distribución estadística de viento en el emplazamiento. En el modelo se está usando una simplificación muy burda que puede no dar resultados fiables. Repetimos lo que se comentó al principio: Esta herramienta es útil para descartar tecnologías, pero aquellas que tengan resultados similares deben analizarse en profundidad. Referencias [1] IntiGIS: Propuesta metodológica para laevaluación de alternativas de electrificación rural basada en sistemas de información geográfica. Tesis doctoral Irene Pinedo Pascua. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid, FUNDACION ICAI SUNEDISON

13 5. Anexo I: Fórmulas financieras. Deducción del factor de actualización La tasa de inflación no es más que el reflejo del hecho de que el precio de los bienes y servicios se incrementa con el paso del tiempo. Si definimos la tasa de inflación promedio k, el precio de un bien que en el año actual vale C 0, en n años viene dada por la fórmula del interés compuesto: La mayoría de análisis de inversiones se basan en la fórmula anterior. Partiendo de esta fórmula el valor actual neto (VAN) de una inversión es traer a día de hoy (dividiendo por la fórmula anterior) los pagos (o ingresos) que hay a lo largo de la vida últil de una instalación Por último, el coste equivalente anual (CEA) sería la anualidad constante a lo largo de la vida útil de un proyecto que da un valor actualizado igual al de Si a la fórmula del CEA anterior se supone se trata de pagos constantes, se puede demostrar que este motivo el factor de actualización se definió como la última fórmula. FUNDACION ICAI SUNEDISON 13

14 Ejercicios Ejercicio 1: Queremos electrificar una instalación en la que los recursos disponibles son los siguientes: Irradiación en emplazamiento Viento Href. Viento Distancia en MT a la red Distancia en BT a la red 3000 W/m2 3.5 m/s 10 m km 1 km La demanda y Demanda diaria 1200 Wh/dia Factor de forma de la curva de carga 0.4 W/Wh Tasa de descuento Utilizando los datos que se aportan a continuación utilice la herramienta que se ha proporcionado para valorarlas diferentes alternativas de electrificación utilizando el LEC Rendimiento de la batería Profundidad de descarga de una batería 75 h 5 años Costes O&M 0 h 624 Costes O&M 0 Eficiencia Autonomía de la batería 5 días de los módulos 4500 p de los módulos 20 años Costes de O&M 110 p Eficiencia Consumo de combustible 0.43 litros/kwh años Costes de O&M 200 Potencia 10 kw Precio del combustible 1 /L Autonomía de la batería (días de calma) 6 días años Costes O&M FUNDACION ICAI SUNEDISON

15 Eficiencia Altura de buje 12 m Coeficiente de diseño Consumo de combustible 0.44 L/kWh del generador diesel años Costes de O&M 108 Precio del combustible 1.3 /L Altura de buje del aerogenerador 30 m Eficiencia del aerogenerador del aerogenerador 7000 del aerogenerador 20 años Costes de O&M del aerogenerador años línea de MT /km línea de BT /km CT Costes de O&M línea de MT 300 /km Costes de O&M línea de BT 0 /km Costes de O&M CT 0 Costes de acometida 100 Coste del kwh 0.15 h (Deberíais de poder copiar del documento y pegar en la herramienta los datos utilizando el ordenador) Ejercicio 2: Vamos a jugar un poco con los parámetros. Si la instalación anterior a electrificar no necesitase baterías, Qué parámetro habría que modificar? Cuál sería el LEC para cada tecnología en este caso? Si se necesitara un día más de autonomía de las baterías, Qué tecnologías se ven afectadas? Cuál sería el nuevo coste? FUNDACION ICAI SUNEDISON 15

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