Energías Alternativas Aplicadas al Regadío

Transcripción

1 DIRECCIÓN GENERAL DE DESARROLLO RURAL Y POLÍTICA FORESTAL DIRECCIÓN GENERAL DE DESARROLLO RURAL Y POLÍTICA FORESTAL Energías Alternativas Aplicadas al Regadío Autoproducción n de Energía a para Riego Energía a Solar Fotovoltaica Carlos Montoya Rasero Jefe del Departamento Solar 1

2 Índice Índice Introducción Recurso Solar Situación actual: en el Mundo, Europa y España Tecnologías fotovoltaicas Aplicaciones de la energía solar FV Legislación Ejemplo de aplicación en riego 2

3 Índice Introducción Recurso Solar Situación actual en el Mundo, Europa y España 3

4 Introducción Evolución histórica Punto de partida: 1839 Alexandre Edmond Becquerel descubre el efecto fotovoltaico al experimentar con una pila electrolítica con electrodos de platino, en la que observó el incremento de corriente que causaba la exposición a la luz de uno de los electrodos. La energía solar fotovoltaica consiste en aprovechar la radiación solar transformándola directamente en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. 4

5 Introducción Evolución histórica Hacia la célula moderna 1920 Albert Einstein explica el efecto fotovoltaico, hablando de electrones que absorben cuantos de energía de la luz (fotones) de forma linealmente proporcional a la frecuencia de la fuente lumínica. Por ello recibiría el Premio Nobel de Física en El efecto fotovoltaico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética. La obtención de energía eléctrica se realiza a través de células fotovoltaicas 1954 Los Laboratorios Bell producen la primera célula de silicio con un 6% de rendimiento y un coste estimado era de $/W. La primera prueba de campo se realiza en octubre de 1955 en Americus (Georgia, USA). Fte. Bell Laboratories. 5

6 Introducción Evolución histórica Primeras producciones industriales 1955 La administración norteamericana solicita a su industria la producción de elementos solares fotovoltaicos para aplicaciones espaciales Lanzamiento del TELSTAR primer satélite comercial de telecomunicaciones con una potencia fotovoltaica de 14 W La producción mundial de células es de 100 kw en 1973, el satélite Skylab lleva 20 kw de paneles Las aplicaciones terrestres superan las aplicaciones espaciales. 6

7 Introducción Evolución histórica 20 años de desarrollo acelerado 1985 La Universidad de New South Wales crea células con el 20% de rendimiento Se alcanza un total de MWp de sistemas fotovoltaicos instalados Se instalan más de 500 MWp de módulos fotovoltaicos, en 2004 se duplica hasta los MWp y en 2007 se superan los MWp La producción de células fotovoltaicas supera los MWp. Se alcanzan MWp de potencia instalada acumulada en el mundo. Suficiente para cubrir las necesidades de 52 millones de hogares españoles. Equivalente a la producción de 60 plantas térmicas de generación eléctrica. 7

8 Índice Introducción Recurso Solar Situación actual en el Mundo, Europa y España 8

9 Recurso Solar El Sol Radio = km (=109 radios terrestres) Distancia media Tierra Sol: km Masa = 1,99x10 30 kg (= la de la tierra) Densidad media: 1,41 g/cm3 (=0,26 la de la tierra) Temperatura superficie: K Irradiancia desde la superficie del sol kw/m² Irradiancia que alcanza la Tierra: 1,37 kw/m² (±3,3% por excentricidad de órbita) El sol produce energía en forma de radiación electromagnética, comportándose como un reactor nuclear, debido a las reacciones de fusión de átomos de su interior. 9

10 Recurso Solar La radiación solar a su llegada a la Tierra Pérdidas La atmósfera terrestre atenúa la radiación solar debido a: Reflexión. Absorción. Difusión Radiación Directa Absorción y Reflexión Radiación Difusa Difusión de Rayleigh Radiación de Albedo 10

11 Recurso Solar Irradiación directa normal mundial AFRICA: Continente con mayor potencial, podría aportar más energía que la que se necesita mundialmente. AUSTRALIA: Es el país con mayor potencial teórico a nivel mundial. 11

12 Recurso Solar Radiación solar en Europa 12

13 Recurso Solar Radiación solar en España 13

14 Recurso Solar Potencial físico de las Energías Renovables en el mundo ILIMITADO! 14

15 Recurso Solar Potencial físico de las EE.RR en España Tecnologías Solar FV y Solar Termoeléctrica Potencial (GW) >1.000 Eólica terrestre + marina 340 Geotérmica (1) Geotérmica (2) 2,5 20 Olas 20 Hidroeléctrica 13 Bombeo 13 Biomasa Eléctrica 8 RSU 1,8 Biogás 1,2 (1) En zonas reconocidas y estudiadas por IGME (2) En zonas geológicas favorables, sin estudiar 15

16 Índice Introducción Recurso Solar Situación n actual en el Mundo, Europa y España 16

17 Situación n actual Potencia acumulada en el mundo Fuente: EPIA 17

18 Situación n actual Situación mundial en 2013 Los países principales por potencia instalada en 2013, por orden, fueron: China ( MW), Japón (6.900 MW), EE.UU. (4.200 MW), Alemania (3.300 MW) y Italia (1.400 MW). La potencia mundial instalada en el año 2013 fue de casi MW, alcanzando una potencia instalada acumulada de casi MW. Por primera vez en 2013 Europa no lidera la potencia instalada mundial, cogiendo el relevo Asia Pacífico, con un 57% del total. Para 2014 se espera una potencia instalada en el mundo de MW, lo que supondrá a final de este año casi MW acumulados. 18

19 Situación n actual Potencia anual instalada en Europa Fuente: EPIA 19

20 Situación n actual Potencia en Europa por habitante Mercado Acumulado Mercado Acumulado W/hab (MW) (MW) (MW) (MW) 2013 Austria Belgium 683 2, , Bulgaria 843 1, , Croatia Cyprus Czech Republic 116 2, , Denmark Estonia Finland France 1,115 4, , Germany 7,604 32,411 3,304 35, Greece 912 1, , Hungary Ireland Italy 3,759 16,479 1,448 17, Latvia Mercado Acumulado Mercado Acumulado W/hab (MW) (MW) (MW) (MW) 2013 Lithuania Luxembourg Malta Netherlands Norway Poland Portugal Romania ,1 1, Slovakia Slovenia Spain 332 5, , Sweden Switzerland Turkey Ukraine United Kingdom 925 1, , Fuente: EPIA 20

21 Segmentación del mercado en Europa (2013) Autoproducción de Energía para Riego: Energía Solar Fotovoltaica Situación n actual Fuente: EPIA 21

22 Potencia FV en España Autoproducción de Energía para Riego: Energía Solar Fotovoltaica Situación n actual La potencia acumulada en España supera los MW (datos de mayo de 2014), siendo 2008, el año en que se instaló la mayor parte de la potencia Potencia instalada en España MW/año MW acumulados Potencia instalada Potencia acumulada (MW) Fuente: CNMC 22

23 Potencia FV en España Autoproducción de Energía para Riego: Energía Solar Fotovoltaica Situación n actual Las más de instalaciones existentes en España vendieron a la red de distribución en 2013 más de 8GWh Energía Vendida (MWh) vs Nº instalaciones Energía vendida (GWh/año) Energía Vendida (MWh) Nº Instalaciones Fuente: CNMC 23

24 Índice Tecnologías fotovoltaicas Aplicaciones de la energía solar FV Legislación 24

25 Tecnologías Fotovoltaicas Tecnología de vanguardia sustentada en una industria puntera SILICIO Monocristalino 20% eficiencia SILICIO Policristalino 18% eficiencia SILICIO Amorfo Vida útil Más de 25 años CAPA DELGADA Teluro de Cadmio (CdTe) CAPA DELGADA Diseleniuro de indio-cobre (CIS) ~15% eficiencia CELULAS MULTIUNIÓN (Arseniuros de Indio-Galio) ORGÁNICAS 25

26 Tecnologías Fotovoltaicas Fuente: National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO

27 Tecnologías Fotovoltaicas Cadena de valor del Silicio Silicio Lingotes/Obleas Células Módulos Industria metalúrgica Industria química Industria electrónica Industria mecánica 27

28 Tecnologías Fotovoltaicas Silicio Mono cristalino Se obtiene por proceso Czochralski. Se toma una semilla de silicio monocristalino con una determinada orientación y se introduce en el crisol. Cuando toca la superficie de la masa fundida de silicio que se encuentra en el crisol (punto de fusión ºC) se extrae hacia arriba girando muy lentamente sobre el eje de la varilla. 28

29 Tecnologías Fotovoltaicas Silicio Poli cristalino Silicio policristalino se elabora por procedimiento de fusión en bloques. Se toma sílice al vacío y se calienta ºC. Por el procedimiento de fusión en bloques se forman cristales con diferentes orientaciones. Los bloques de silicio que se cortan con una sierra en lingotes primero y posteriormente en obleas. 29

30 Tecnologías Fotovoltaicas Capa delgada (Silicio Amorfo, CdTe, CIS ) Se cubre un substrato (vidrio, plástico, ) con una capa muy fina de un semiconductor sensible a la radiación (fotoactivo). La temperatura en el proceso de fabricación es de unos ºC frente a los ºC que se necesitan en el caso de células de silicio cristalino 30

31 Tecnologías Fotovoltaicas Concentración Fotovoltaica 31

32 Tecnologías Fotovoltaicas Principales fabricantes mundiales 2012 Fabricante Respecto Yingli Green Energy +1 2 First Solar +2 3 Suntech -2 4 Trina Solar -1 5 Canadian Solar - 6 Sharp Solar - 7 Jinko Solar +2 8 JA Solar +7 9 SunPower Hanwaha SolarOne Fabricante Respecto Yingli Green Energy - 2 Trina Solar +1 3 Sharp Solar +3 4 Canadian Solar - 5 Jinko Solar +3 6 ReneSola +7 7 First Solar -2 8 Hanwha SolarOne +2 9 Kyocera JA Solar -3 Fte: Solarbuzz, enero 2013 y enero 2014 En España, por ejemplo: La producción mundial está liderada por fabricantes asiáticos. Durante 2013, los 10 primeros fabricantes de células acapararon el 40% de la producción mundial. 32

33 Tecnologías Fotovoltaicas Costes de inversión Para una planta FV Silicio cristalino sobre suelo Todas las tecnologías FV han experimentado una fuerte reducción de costes. Las claves: mejoras de la eficiencia y la escala de producción Fte: Boston Consulting Group 33

34 Tecnologías Fotovoltaicas Precios spot de los módulos en EU Fte: pvxchange. Precios para módulos FV en fábrica. Para un proyecto llave en mano el precio se multiplicaría por 2 o 3. Fte: pvxchange. Solarpraxis AG / Harald Schütt 34

35 Tecnologías Fotovoltaicas Costes de Operación y Mantenimiento Planta FV en suelo Planta FV en tejado Seguros Gestión Alquiler Mantenimiento Fte: Boston Consulting Group Las mejoras en la O&M de las plantas también se ven reflejadas en una Las claves: reducciones de terreno por mejoras de caída de los costes eficiencia y mejora de las técnicas de mantenimiento por aparición de equipos especializados 35

36 Índice Tecnologías fotovoltaicas Aplicaciones de la energía a solar FV Legislación 36

37 Aplicaciones de la energía a solar FV La energía solar es fiable, inagotable, limpia, segura y no genera residuos. El campo de actuación de la energía solar, es muy amplio y presenta una gran versatilidad en múltiples aplicaciones: Generación de energía eléctrica Aplicaciones industriales (Desalinización, procesos térmicos, ) Climatización (Producción de calor o frío) En el mundo existen unas enormes posibilidades de crecimiento del mercado solar. Los principales organismos mundiales sitúan a la energía solar fotovoltaica como la fuente de energía eléctrica con más potencial de crecimiento en las próximas décadas. La electrificación de los consumos energéticos humanos amplían las aplicaciones para la energía solar fotovoltaica. 37

38 Aplicaciones de la energía a solar FV La radiación solar llega a los módulos, que producen energía eléctrica por el efecto fotovoltaico en forma de corriente continua. Esta corriente continua se puede almacenar o inyectar en la red eléctrica, y puede aprovecharse directamente como CC o bien transformarse en CA. 38

39 Aplicaciones de la energía a solar FV 39

40 Aplicaciones de la energía a solar FV Ejemplos de Instalaciones Aisladas BOMBEOS ELECTRIFICACIÓN N RURAL 40

41 Aplicaciones de la energía a solar FV Ejemplos de Instalaciones Conectadas a Red VIVIENDA La energía se inyecta en la red interior para autoconsumo, o se vuelca a la red pública de distribución. SUELO La energía se inyecta en la red pública de distribución. 41

42 Aplicaciones de la energía a solar FV Ejemplos de Instalaciones de concentración BAJA CONCENTRACIÓN La energía se inyecta en la red pública de distribución. ALTA CONCENTRACIÓN La energía se inyecta en la red pública de distribución. 42

43 Aplicaciones de la energía a solar FV Estructuras de Seguimiento FIJAS sobre tejados, poste o terreno Bajo coste. Alta fiabilidad SEGUIMIENTO (S1E, S2E) Mayor producción Mayor inversión y mantenimiento Aumento de la producción Seguimiento E O, eje horizontal N S % Seguimiento acimutal % Seguimiento solar tipo polar % Seguimiento en dos ejes % 43

44 Aplicaciones de la energía a solar FV Integración arquitectónica Tejas FV Cubiertas FV semi transparentes Fuente: IES UPM Parking 44

45 Índice Tecnologías fotovoltaicas Aplicaciones de la energía solar FV Legislación 45

46 Legislación Ley 24/2013 de 26 de diciembre del Sector Eléctrico (BOE nº 310 de 27 de diciembre de 2013) RD 1699/2011 de 18 de noviembre por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia (BOE nº 295 de 8 de diciembre de 2011) Instalaciones conectadas a red de hasta 100 kw. RD 842/2002 de 2 de agosto por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para Baja Tensión (RBT) (BOE nº 224 de 18 de septiembre de 2002) ITC BT 40 Instalaciones generadoras RD 842/2002 de 2 de agosto por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para Baja Tensión (RBT) (BOE nº 224 de 18 de septiembre de 2002) ITC BT 40 Instalaciones generadoras 46

47 Legislación Ley 24/2013 de 26 de diciembre del Sector Eléctrico (BOE nº 310 de 27 de diciembre de 2013) Artículo 9. Autoconsumo de energía eléctrica. 1. A los efectos de esta ley, se entenderá por autoconsumo el consumo de energía eléctrica proveniente de instalaciones de generación conectadas en el interior de una red de un consumidor o a través de una línea directa de energía eléctrica asociadas a un consumidor. Se distinguen las siguientes modalidades de autoconsumo: a) Modalidades de suministro con autoconsumo. Cuando se trate de un consumidor que dispusiera de una instalación de generación, destinada al consumo propio, conectada en el interior de la red de su punto de suministro y que no estuviera dada de alta en el correspondiente registro como instalación de producción. b) Modalidades de producción con autoconsumo. Cuando se trate de un consumidor asociado a una instalación de producción debidamente inscrita en el registro administrativo de instalaciones de producción de energía eléctrica conectada en el interior de su red. c) Modalidades de producción con autoconsumo de un consumidor conectado a través de una línea directa con una instalación de producción. d) Cualquier otra modalidad de consumo de energía eléctrica proveniente de una instalación de generación de energía eléctrica asociada a un consumidor. ( ) 3. Todos los consumidores sujetos a cualquier modalidad de autoconsumo tendrán la obligación de contribuir a los costes y servicios del sistema por la energía autoconsumida, cuando la instalación de generación o de consumo esté conectada total o parcialmente al sistema eléctrico. 47

48 Legislación RD 1699/2011 de 18 de noviembre por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia (BOE nº 295 de 8 de diciembre de 2011) Para las instalaciones FV es de aplicación a aquellas de potencia no superior a 100 kw El resto se regulan mediante el RD1955/2000. Introduce la futura regulación del autoconsumo. (Disposición adicional segunda). Contempla conexiones a la línea de baja tensión de la compañía distribuidora o a la red interior del usuario. Determina el procedimiento de acceso y conexión de las instalaciones, condiciones técnicas a cumplir y los procedimientos de medida y facturación. Establece los avales necesarios para tramitar la solicitud de acceso a la red de distribución de nuevas instalaciones (exentas las de potencia igual o inferior a 10 kw). Obliga a suscribir un contrato técnico de acceso con la empresa distribuidora incluso para instalaciones en autoconsumo. Recoge un procedimiento abreviado específico para instalaciones de potencia no superior a 10 kw ubicadas donde exista un contrato de suministro previo. 48

49 Legislación RD 842/2002 de 2 de agosto por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para Baja Tensión (RBT) (BOE nº 224 de 18 de septiembre de 2002) Se establecen distintas posibilidades de conexión, por ejemplo, a la red de distribución interior del usuario. Limitado a 100 kw en redes de BT. TITULAR Suministro asociado CONEXIÓN GENERACIÓN Instalación interior FUNCIONAMIENTO Independiente UBICACIÓN Instalación interior MEDIDA Bidireccional 49

50 Legislación RD 842/2002 de 2 de agosto por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para Baja Tensión (RBT) (BOE nº 224 de 18 de septiembre de 2002) ITC BT 40 Instalaciones generadoras de baja tensión Guía técnica de aplicación del REBT actualizada en Noviembre 2013 (Guía BT 40: actualizada Sept.2013) a) Instalaciones generadoras aisladas: aquellas en las que no puede existir conexión eléctrica alguna con la Red de Distribución Pública. TITULAR CONEXIÓN GENERACIÓN FUNCIONAMIENTO UBICACIÓN MEDIDA Suministro asociado Instalación interior Modo aislado Instalación interior Ninguno 50

51 Legislación En las instalaciones aisladas, los elementos de conexión son únicamente los elementos de conexión a la instalación de consumo. Protecciones en el Generador: Pueden ser: Interruptores automáticos, diferencial, detector de aislamiento, protección contra tensiones fuera d e rango o protección contra sobre tensiones. Contra choque eléctrico según ITC BT 24. Protecciones en las cargas: Según ITC BT 17, ITC BT 23 e ITC BT 25 51

52 Índice 8 Ejemplo de aplicación n en riego 52

53 Ejemplo de aplicación n en riego Algunas soluciones de riego FV Para mantener la presión constante se opta por depósitos elevados o por balsas que ayudadas de bombas convencionales aportan presión El almacenamiento limita a superficies de riego pequeñas y sistemas de poca presión y precisa en ocasiones de energía convencional 53

54 Ejemplo de aplicación n en riego Proyecto Torrecilla de la Abasesa (Valladolid) Innovador proyecto de riego y energía que consiste en un sistema de bombeo solar directo de alta potencia con presión y caudal constante. 54

55 Ejemplo de aplicación n en riego Socios principales: ASOCIACIÓN PARA LA INVESTIGACIÓN DE LA MEJORA DEL CULTIVO DE LA REMOLACHA AZUCARERA COOPERATIVA AGRÍCOLA para la explotación agraria de las comarcas Tierra del Vino y Tordesillas (Valladolid) EMPRESA DE INGENIERÍA especializada en diseño, fabricación y comercialización de sistemas de riego con energía solar y sus tecnologías auxiliares PLAN 2020 para la sostenibilidad de la remolacha Participan: 55

56 Ejemplo de aplicación n en riego Objetivos principales Reducir el coste del riego en un 80%. Reducir en un 100% las emisiones de CO 2. Mantener la presión constante en riegos por aspersión de cualquier tamaño o cobertura (pivotes o cañones). Eliminar el uso de energía convencional. Eliminar la necesidad de almacenamiento de energía en baterías o de agua en grandes balsas. Mejorar la eficiencia energética e hidráulica. Automatizar completamente el manejo y programación de los riegos. 56

57 Ejemplo de aplicación n en riego Algunos datos de las instalaciones Superficie Regada Profundidad del agua Instalaciones de Riego Capacidad de bombeo Horas de funcionamiento continuo Presión del agua en los emisores 19 Ha de cultivos de verano 46 Ha de cultivos de primavera 90 m 3 pivotes (56 Ha) 3 coberturas a 12x18 (13,90 Ha) litros/hora horas/día en temporada de riego 4,0 kg/cm 2 en cobertura 0,6 mkg/cm 2 en pivote Potencia fotovoltaica instalada 121, 60 kw (campo solar) Emisiones de CO

58 Ejemplo de aplicación n en riego Beneficios de las instalaciones Coste de la instalación Coste del agua para cultivo de riego intensivo (remolacha): /Ha año 176 /Ha año 5 veces inferior!! Coste del agua bombeada 3,2 c /m 3 Coste anterior del agua bombeada (con generador diésel) Plazo de recuperación de la inversión Protección frente a subidas de precios 17 c /m años Autonomía energética Eliminación total de emisiones Emisiones de CO 2 evitadas 120 Tn anuales 58

59 Energía solar y sistemas de riego: un binomio perfecto Autoproducción de Energía para Riego: Energía Solar Fotovoltaica Ejemplo de aplicación n en riego Las mayores necesidades de riego de los cultivos se dan en la misma época del año en la que se dispone de la mayor insolación Potencia FV obtenida por radiación solar Con inclinación óptima de los paneles (kwh/m 2 ) Cuando más se necesita regar, más capacidad de producción tienen las instalaciones FV Fuente: AIMCRA Con el bombeo directo puede aprovecharse casi el 70% de la radiación anual. 59

60 Ejemplo de aplicación n en riego La solución adoptada Fuente: AIMCRA 60

61 Ejemplo de aplicación n en riego Esquema de funcionamiento 1. La energía solar es captada por los paneles FV ubicados en el tejado 2. Los paneles producen CC por lo que hay que transformarla a AC con variadores de frecuencia. 3. Desde aquí se alimentan las bombas a través del cuadro de control, sin usar baterías. 5. Los paneles también alimentan los motores de los pivotes y otros equipos. 4. Desde el cuadro de control el PLC activa las bombas según la radiación y el nivel en pozo y depósito 61

62 Ejemplo de aplicación n en riego El sistema es aplicable a cualquier tamaño de finca: Caudal y presión constantes. Cualquier profundidad de pozo con sólo adaptar la potencia. Pivotes, coberturas o cañones Cultivos intensivos Riego inteligente: automatismos de riego. Frecuencia y cantidad de agua adaptables. Nuevos emisores con presión hasta 0,6bar Mejora de eficiencia, disminución de pérdidas por arrastre y evaporación. No es necesaria la conexión a la red eléctrica Pero sólo se puede regar durante el día.

63 Ejemplo de aplicación n en riego Rentabilidad Basándonos en la evolución de los precios del gasóleo B desde 2007, podría suponerse un incremento anual del 7% hasta ,200 Precio semanal nacional Gasóleo B Para la explotación de Tordesillas: m 3 anuales para riego Precio ( /litro) 1,000 0, Inversión: Vida útil años ,600 0, Semanas Con el generador diésel: /año (16,89 c /m 3 ) Precio ( (litro) Precio medio anual Gasóleo B 1,200 1,040 1,030 1,007 0,957 0,883 1,000 0,792 0,715 0,781 0,800 0,600 0,400 0,200 0, Año Media anual ( /litro) Fuente: Comisión Nacional de los Mercados y la Competencia (CNMC). Con la instalación FV: 3,19 c /m 3 Fuente: AIMCRA Riego Solar Recuperación de la inversión: 4 5 años

64 Ejemplo de aplicación n en riego Otras mejoras Variadores de frecuencia: ajustan el bombeo a los requerimientos de potencia de la instalación y funcionan como inversores de corriente para la instalación solar FV. Sustitución de emisores: se cambian los habituales rotator de los pivotes por los nuevos i Wob de Senninger (0,4 bar); reducción de la potencia de bombeo 20 80%. Fuente: Senninger Fuente: AIMCRA Mejora del riego: gota de más tamaño, menos sensible al viento, con menos pérdidas por evaporación y arrastre. Mayor calidad de riego: coeficiente de uniformidad 91 97% Sustitución del cañón: se cambia el cañón existente de 4bar a un emisor de baja presión R55A de Nelson, con presión de 1 2 bar y alcance de m.

65 Gracias por su atención Carlos Montoya Rasero Jefe del Departamento Solar Madera, MADRID (ESPAÑA) Tel.: Fax: