ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO DE FACTIBILIDAD DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA EN VENEZUELA

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1 II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Junio 2009 D1-168 ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO DE FACTIBILIDAD DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA EN VENEZUELA Roberto Alves Francisco Chacón Héctor Toledo robert@usb.ve franslash@yahoo.es htoledo@usb.ve Unidad de Gestión y Grupo de Investigación en Sistemas Industriales de Electrónica de Potencia (UGSIEP), Dpto. de Conversión y Transporte de Energía CTE. Universidad Simón Bolívar RESUMEN En este artículo se presentan los resultados más relevantes del Estudio de Factibilidad (técnicoeconómico) para la implementación de Sistemas de Generación Fotovoltaica en plantas industriales y/o empresas de Venezuela, considerando sus aplicaciones y los benéficos energéticos-ambientales que éstos proporcionan. La generación de electricidad a partir de la energía solar es sin duda una opción para la alimentación eléctrica de zonas aisladas y comunidades remotas, que puede tener un alto impacto social. Otra opción a evaluar, es el ahorro energético que puede lograrse mediante este tipo de generación, orientado a industrias, empresas y plantas industriales. En este trabajo se describe el procedimiento general para el diseño y la especificación de los componentes principales de sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica así como, también, para la alimentación de cargas aisladas. Se realiza una estimación y comparación de costos en función de la energía generada para cada uno de los diseños. Adicionalmente se determina, empleando el programa RETScreen International, la factibilidad de implementar sistemas de ahorro energético basados en sistemas fotovoltaicos conectado a red en Venezuela. Se usa como ejemplo de cálculo los resultados obtenidos para una empresa ubicada en la zona central del país. En este caso de ejemplo se obtienen los costos globales de la inversión inicial, los costos de la energía producida y ahorrada así como los tiempos de retorno de la inversión para distintos escenarios de estudio planteados. El trabajo incluye: la descripción general de la teoría básica, el diseño y especificación del sistema así como el análisis técnico-económico,los resultados obtenidos y las conclusiones. PALABRAS CLAVE Ahorro energético, sistemas fotovoltaicos, energías alternativas, factibilidad. htoledo@usb.ve

2 1. ENERGÍAS RENOVABLES La tecnología actual de las energías renovables (solar, eólica, geotérmica, biomasa, etc.) se ha desarrollado vigorosamente como consecuencia de la llamada crisis energética mundial. Este desarrollo también ha sido impulsado por la creciente preocupación por el deterioro ambiental y el cambio climático, debido al efecto invernadero (generado principalmente por las emisiones de CO 2 ). Pese a ello, en la actualidad alrededor del 80% de la energía consumida proviene de los combustibles fósiles, un 10% de la energía nuclear, un 5% de la hidroeléctrica. El 5% restante proviene de otras energías, entre las que se encuentran las renovables. Se espera un desarrollo importante de la generación de energía limpia en las próximas décadas. En la Fig. 1 se observa la relación entre la energía solar anual que incide sobre el planeta, el consumo energético mundial anual y las reservas existentes de los distintos combustibles fósiles utilizados en la actualidad (inlcuido el Uranio). La energía procedente del sol es unas veces mayor al consumo energético mundial. Obviamente, no toda la irradiación solar que incide sobre la tierra es aprovechable. Sin embargo, como ejemplo, puede decirse que utilizando una superficie menor al 2% de Europa para la captación fotovoltaica, se podría cubrir el consumo de energía eléctrica mundial actual. Fig. 1: Relación entre la energía solar y reservas de combustibles fósiles 2. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Consiste en la conversión directa de la radiación solar en electricidad mediante células fotovoltaicas. En la actualidad, la tecnología fotovoltaica se encuentra en pleno desarrollo: las células fotovoltaicas tienen eficiencias muy bajas (del orden del 15%) y costos de producción muy elevados, lo que hace necesario el apoyo institucional para asegurar la viabiliad económica de este tipo de sistemas. En la Tabla 1 se muestra una primera gran clasificación de los sistemas fotovoltaicos. Tabla 1: Clasificación general de los sistemas de generación fotovoltaicos Sistemas aislados de la red eléctrica (sistemas autónomos) Sistemas conectados a la red eléctrica Comúnmente suplen cargas como: viviendas rurales, granjas, sistemas de bombeo, iluminación, sistemas de telecomunicaciones, señalización, etc. Conformados por centrales fotovoltaicas y sistemas fotovoltaicos en edificios o grandes sistemas conectados a red. Los componentes principales de los sistemas fotovoltaicos son los siguientes: La energía solar. Células y módulos fotovoltaicos, orientados de tal manera que reciban la mayor cantidad de radiación solar a lo largo del año. Sistema de almacenamientos de energía (baterías), solo en los casos de sistemas aislados. 1

3 Inversor para transformar de corriente directa a corriente alterna. Protecciones eléctricas. La red eléctrica, solo en los casos de sistemas conectados a la red. El principio básico de funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos es el siguiente: la energía solar incide sobre el generador fotovoltaico (constituido por los módulos fotovoltaicos y estos a su vez, por las células solares). Los módulos fotovoltaicos generan electricidad en corriente directa ó continua. En el caso de sistemas aislados: la corriente directa carga un banco de baterías que, a través del inversor de potencia alimenta la carga del sistema. El conjunto dispone de elementos de protección tanto a la entrada como a la salida. En el caso de sistemas conectados a red: la corriente directa generada por los módulos alimenta directamente al inversor de potencia. En este caso la tensión y la frecuencia son establecidas por la red eléctrica y el control del inversor se encarga de regular la potencia inyectada al sistema. Las ventajas y desventajas de estos sistemas se pueden resumir en los aspectos indicados en la Tabla 2. Tabla 2: clasificación de los sistemas de generación fotovoltaicos PRINCIPALES VENTAJAS PRINCIPALES DESVENTAJAS No genera ruidos ni contaminantes Altos costos de inversión Mantenimiento sencillo y de bajos costos Bajo rendimiento de las células solares No produce CO2 Según el caso, puede tener impacto visual o paisajístico importante En el caso de los sistemas aislados se requieren bancos de baterías Bajos costos de operación Para altas potencias se requiere grandes superficies para su instalación Se instalan fácil y rápidamente sobre cualquier superficie o edificación (cuando no existen obstáculos que proyecten sombras) En muchos casos el impacto paisajístico es mínimo Para bajas potencias, no se necesita grandes cantidades de superficie para su instalación No requiere agua ni combustibles para su funcionamiento 3. DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO Para dimensionar un sistema fotovoltaico se deben conjugar una serie de parámetros, como se indica en la Fig. 2. La demanda energética a cubrir, la disponibilidad del recurso solar y el capital disponible son los factores que tienen mayor peso en el diseño. Existen muchos métodos para la determinación de los sistemas fotovoltaicos, entre los que se pueden mencionar: el método de la superficie máxima disponible, el método del costo máximo de inversión asumible, el método del peor mes, y otros. Sin embargo, los requerimientos, para todos, se basan en conocer: La radiación solar disponible en el sitio específico donde se hará la instalación. El área disponible donde se instalará el sistema fotovoltaico, para determinar la orientación y grados de inclinación de los módulos fotovoltaicos. Los requerimientos energéticos (demanda). Las características de la carga (carga aislada ó con conexión a la red). Las características de los módulos solares e inversores disponibles. La capacidad de la inversión asumible. Fig. 2: Elementos que intervienen en el diseño de un sistema fotovoltaico 2

4 4. PROGRAMA RETSCREEN INTERNATIONAL El Programa (software) de Análisis de Proyectos de Energía Limpia RETScreen es una herramienta de apoyo para la toma de decisiones, única en su género, desarrollada con la contribución de numerosos expertos del gobierno, industria y académicos (canadienses). El software es gratuito y es usado para evaluar la producción de energía y ahorros, costos de ciclo de vida, reducción de emisiones, aspectos financieros y de riesgo de varios tipos de tecnologías de energías renovables y de eficiencia energética. El software incluye bases de datos de productos y climáticos, costos y un manual de usuario detallado. Por estos motivos se empleó el programa para analizar la factibilidad de instalaciones de sistemas de generación fotovoltaicas en Venezuela, aplicado y visualizando instalaciones de tipo industrial. 5. ANÁLISIS TÉCNICO DEL SISTEMA Para realizar el análisis de factibilidad para la implantación de un sistema fotovoltaico se debe, en primera instancia, determinar el tipo de sistema a instalar, las necesidades energéticas a satisfacer, el impacto socio-cultural que pueda tener y garantizar un sistema lo más rentable posible. El caso en estudio es una empresa perteneciente a la mediana industria que busca reducir el consumo de energía proveniente de la red de suministro eléctrico. El sistema con menor impacto económico es el Sistema Fotovoltaico con conexión a la Red, porque no incluye costos del banco de baterías, reguladores de carga, protecciones asociadas a estos equipos, espacio, mantenimiento, etc. El objetivo del sistema a ser diseñado es el de ahorro de energía (no es un sistema de respaldo). Los pasos a seguir para el diseño del sistema planteado han sido los siguientes: 1. Área disponible y ubicación (coordenadas GPS): La Fig. 3muestra la ubicación y dimensiones (20x16,3 mts) del techo del almacén donde se instalaría el sistema fotovoltaico. 2. Caracterización de la carga: Se instaló un registrador de carga y calidad de energía para identificar el ciclo de carga promedio de la empresa. La Fig. 4, muestra el ciclo (1 semana). La Tabla 3 muestra los valores promedios, máximos y mínimos de la potencia (kva. Como la empresa tiene proyectadas ampliaciones a futuro y la carga eléctrica adicional principal será de aires acondicionados, se estimó la demanda, como se puede ver en la Tabla Mediciones de la radiación solar. Se procesaron los datos de tres fuentes: medidas realizadas en el sitio (se instaló un dosímetro), datos del Centro Nacional de Investigaciones Agrícolas (CENIAP) y las obtenidas del Dpto. de Climatología de Fuerza Aérea Venezolana (FAV). Esta información indica que el recurso solar de la región es muy favorable para la generación fotovoltaica y permitió realizar una estimación de la producción de energía posible obtener. Se elaboraron tablas de radiación solar medias mensuales y anuales como se muestran en la Fig Selección de los Módulos Solares: Las características de los módulos solares disponibles son las siguientes: Módulo solar marca CHINT modelo CHSM-230M [3]. P mpp (W) 200 I mpp (A) 6.87± 10% V oc (V) 36.4± 10% Dimensiones(mts) 1,652 x 0,994 x 0,45 I sc (A) 7.42± 10% Peso(Kg) 16.5 V mpp (V) 29.1± 10% 5. Selección del número de módulos solares: Utilizando al máximo las dimensiones de la superficie (20 x 16,3 mts) y empleando la hoja de cálculo de SCHLERTTER [2], se determinó el espaciamiento mínimo para que un arreglo de módulos no haga sombra con otro (para el día con incidencia de sol más bajo). En la Fig. 6, se muestra una ilustración de cómo queda es espaciado de los arreglos de módulos. En definitiva el generador fotovoltaico queda constituido por 10 arreglos (conectados en paralelo) de 15 módulos cada uno (conectados en serie). 3

5 Fig. 3: Sitio de instalación del sistema, dimensiones y coordenadas del almacén Potencia Aparente Trifásica 16 Potencia Aparente (kva) /11/ :00am 07/11/ :40pm 10/11/ :30am 12/11/ :0 Del Lunes 05/11/ :00am al Lunes 12/11/ :00am Fig. 4: Potencia trifásica (kva) Tabla 3: Potencia Aparente (kva) y potencia proyectada a futuro Potencia Aparente Fase A Fase B Fase C Trifásica Potencia Aparente Trifásica P. Aparente Promedio (kva) P. Aparente Máxima (kva) P. Aparente Mínima (kva) 3,51 3,61 4,40 11,41 5,98 6,17 7,17 18,17 1,02 0,71 0,00 1,73 P. Aparente Máxima (kva) 18,17 P. Aparente por A/A (kva) 4,80 P. Aparente Total (kva) 22,97 P. Aparente Proyectada a Futuro (+30%) (kva) 29,86 4

6 Insolación vs. Radiación solar Radiación solar media Radiación (kwh/m2*día) 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 ENE FEB MAR ABR MAY Insolación JUN JUL AGO SEP Radiación OCT NOV DIC 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Insolación (h) Radiación solarmedia (kwh/m2*d) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Año 2001 Año 2003 Prom mensual Radiación solar promedio mensual Radiación solar promedio mensual Radiación solar (kwh/m2*día) 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Meses Radiación solar (kwh/m2*día) NOV DIC ENE FEB Meses CENIAP FAV CENIAP SAER FAV Fig. 5: Gráficos de radiación obtenidos de los datos recopilados Fig. 6: Distancias mínimas requeridas para evitar el efecto sombra 6. Dimensionado del generador fotovoltaico e inversor: Los valores nominales (pico) del generador fotovoltaico serán: Tabla 4: Valores nominales del generador fotovoltaico V mp (V) 436,5 I mp (A) 68,7 P mp (kw) 29,99 Se recomienda que la potenia nominal del inversor sea del 90% del valor del generador fotovoltaico. P inv = P mp x 90% = 29.99kW x 0.90 = kw Los valores nominales típicos de los inversores de potencia suelen ser múltiplos de 5kW, por tal motivo se escoje una capacidad nominal del inversor (trifásico) de 30 kw. El inversor debe cumplir con otras especificaciones: el rango de tensión de alimentación admitan el valor del V mp del 5

7 generador fotovoltaico, así como el rango de corriente de alimentación admita el valor de I mp. En función de estas consideraciones se seleccionó un inversor de la marca CECOM de 30kW [4]. 6. ANÁLISIS ECONÓMICO DEL SISTEMA La inversión inicial de una instalación solar fotovoltaica es función de la potencia a ser instalada. Por lo general se encuentra en el orden de los 6,5 y 8 US$ por vatio instalado (US$/W). Para el caso en estudio, la ganancia representa la energía que se deja de consumir de la red eléctrica. En otros casos se debe considerar la independencia (relativa), si se dispone de un sistema de almacenamiento de energía (baterías). Los gastos que genera el funcionamiento de un generador fotovoltaico son los asociados al mantenimiento (que son bajos). Por lo general, la amortización simple, según datos internacionales se encuentra en el orden de los 10 a 15 años. Sin embargo, esto depende fundamentalmente del costo de la energía en cada país y también de los incentivos que se establecen en cada caso. Los costos que estimados de la inversión inicial del sistema fotovoltaico son los indicados en la Tabla 5. Tabla 5: Costos estimados de la inversión inicial Paneles solares, transporte y nacionalización Inversores, soportes, protecciones e instalación $ % $ % Otros gastos $ % Total de la inversión $ % Otros datos usados y requeridos para el programa RETScreen: Precio del kwh de la red Eléctrica en Venezuela US$ 0,05 Incremento anual del precio del kwh 5% Período de Amortización 25 Años Costo anual de Mantenimiento US$ 924 La Fig. 7 muestra los resultados obtenidos: se observa claramente que, desde el punto de vista económico, la implementación del sistema solar fotovoltaico diseñado no es factible ya que la tasa de retorno de la inversión supera los 25 años (tiempo de vida útil del sistema). El resultado era predecible puesto que un factor primordial para la factibilidad de este tipo de sistemas es el costo de la energía eléctrica. En Venezuela existe un costo sumamente bajo, comparado a otros países, lo que hace poco atractiva su implementación. La Error! No se encuentra el origen de la referencia., muestra el caso de que el costo de la energía fuera de 0,59 $/kwh y la tasa de retorno de la inversión se reduce a 10 años. En la Tabla 6 se muestra el cálculo de los años para el retorno de la inversión bajo distintos esquemas de costos de la energía. 6

8 Fig. 7: Flujo de Caja a 0,05 $/kwh Fig. 8: Flujo de Caja a 0,59 $/kwh Tabla 6: Retorno de la inversión bajo distintos esquemas de costos A precio de kwh en Venezuela $ 0,05 Retorno de inversión > 25 años El precio para 10 años de retorno $ 0,58 Retorno de inversión 10 años A precio kwh en USA $ 0,85 Retorno de inversión 7 años A precio kwh en España $ 1,05 Retorno de inversión 5,6 años 7

9 7. CONCLUSIONES El diseño seleccionado y especificado es técnicamente factible y, de ser instalado, producirá un ahorro importante de la energía consumida por la empresa de la red eléctrica. Al considerar los aspectos económicos del problema, a los costos actuales de la energía en Venezuela (0,05$/kWh) el proyecto no es económicamente factible ya que la recuperación de la inversión supera los 25 años. Un sistema de estas características redundaría en otros beneficios que no se evidencian en este cálculo puramente económico. La inversión inicial estimada es de US$ Del monto total a invertir el 55,72% de los gastos corresponden al sistema de paneles solares y el 39,35% a los inversores de potencia. Si existe alguna disminución en el costo de los paneles solares y/o en los inversores de potencia debido a acuerdos con las empresas fabricantes el impacto sobre la factibilidad sería muy importante y lo podría hacer un proyecto económicamente factible. En otros países en donde el costo de la energía eléctrica es más elevado, este tipo de proyectos son factibles económicamente, por ejemplo, en EEUU el costo del kwh es de $0,85 lo que resultaría en un retorno de la inversión de 6,9 años, en España donde el costo es aún más elevado ($ 1,05 por kwh) el tiempo de retorno de la inversión sería de 5,6 años. Bajo una visión de beneficios para el país (visión de estado), una de las ventajas de utilizar este tipo alternativo de generación, es el ahorro en el consumo de combustible, proporcionado a la empresas eléctricas (para producir energía en plantas térmicas) a un precio subsidiado. Se puede considerar que el combustible ahorrado bajo estos esquemas de generación producirían enormes ganancias si es vendido en el exterior a precios internacionales. En los EEUU, el precio del diesel es aproximadamente de $ 4.15 por galón, es decir, alrededor de 1,092 $/litro. El consumo promedio de combustible para la generación eléctrica es cerca de 0,25 litros/kwh. Tomando en cuenta que el consumo promedio mensual de la empresa en estudio es de kwh, se necesitarían unos 919 litros de combustible para abastecer dicha carga. Si se colocara ese combustible en el mercado internacional se generarían ingresos de alrededor de US$ mensuales, es decir, unos $ anuales. Se demuestra así, que es rentable para país o para el estado el promover este tipo de proyectos, por lo que debería estudiarse la implementación de políticas de incentivos que hagan atractivos la instalación de sistemas solares fotovoltaicos (en este tipo de empresas así, con mayor razón, en el caso de sistemas aislados, en este caso por su alto impacto social). Se deben tomar en cuenta los beneficios medioambientales que proporcionan este tipo de sistemas: en promedio producir un kwh genera 0,5 Kg de CO2. Para el caso en estudio se estarían dejando de emitir unos 1.837,5 Kg de CO 2 al mes, es decir, unas 22,05 Ton de CO 2 al año. La idea básica detrás de la producción fotovoltaica no debe ser únicamente la rentabilidad económica, sino la contribución a mejorar el medio ambiente, reducir la dependencia energética o, en el caso de Venezuela, a reducir el consumo de petróleo. En general, no se debe esperar obtener grandes beneficios, sino cubrir los gastos y contribuir a un mundo mejor. BIBLIOGRAFÍA [1] Energía Solar: Diseño e Instalación de Arreglos Fotovoltaicos y Térmicos, Curso de Energía Solar Fotovoltaica Dr Rodolfo Dufo López, Septiembre [2] [3] Características de los Módulos Solares CHINT, Manual de Instalaciones y Recomendaciones. [4] 8