Cuarto Congreso Nacional Tercer Congreso Iberoamericano Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía HYFUSEN 2011

Transcripción

1 INSTALACIÓN PILOTO DE INSERCIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA CONECTADA A RED COMO GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN EL SECTOR RESIDENCIAL DE LA PROVINCIA DE SAN JUAN Facchini M.L. (1), Doña V.M. (2), Pontoriero D.H. (1), Morán F.A. (1) y Gómez W. (3) (1) Instituto de Energía Eléctrica Universidad Nacional de San Juan, Av. Libertador San Martin N 1109 (Oeste) CP 5400, San Juan, Argentina. (2) Comisión de Obras y Servicios Públicos Cámara de Diputados de la Provincia de San Juan Gobierno de San Juan, Av. Libertador San Martin y Av. Las Heras CP 5400, San Juan, Argentina. (3) Empresa Distribuidora Eléctrica de Caucete Sociedad Anónima - DECSA, Diagonal Sarmiento N 259 CP 5442 Caucete, San Juan, Argentina. facchini@iee.unsj.edu.ar RESUMEN La Provincia de San Juan viene implementando políticas en el desarrollo y construcción de centrales de energía en base a recursos renovables como el agua, el viento, el sol, y el uso de vapores endógenos. Entre ellas San Juan tiene todas las posibilidades y de disponibilidad de recursos para promover el uso de la energía solar. Por ello se viene desarrollando el Proyecto Solar San Juan que pretende fundar las bases para el crecimiento de la tecnología fotovoltaica en todos sus tópicos. En una acción conjunta de aunar esfuerzos profesionales entre el Gobierno y la Universidad se ha conformado un grupo de investigación con la finalidad de avanzar en el basamento para la instalación de sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica de distribución en viviendas del Sector Residencial. En este contexto se encuentra en ejecución el Proyecto Inserción de Energía Solar Fotovoltaica conectada a red como Generación Distribuida en el Sector Residencial: Instalación Piloto, Ensayos, Mediciones y Formulación de Procedimientos Técnicos-Administrativos, con financiamiento del Gobierno de la Provincia de San Juan, la Universidad Nacional de San Juan, la Distribuidora Eléctrica de Caucete SA (DECSA) y en evaluación por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (FONCyT- PICTO-UNSJ 2009). El proyecto pretende brindar un aporte en la resolución de uno de los eslabones del Proyecto Solar San Juan, estudiando la conexión a red (aspectos técnicos y regulatorios) de un grupo de viviendas descentralizadas, las cuales serán dotadas de Sistemas Fotovoltaicos en techo, a ubicarse en el área de cobertura de la empresa distribuidora DECSA. Palabras Claves: Energía Solar, Sistemas Fotovoltaicos, Conexión a Red. 1. INTRODUCCIÓN La Provincia de San Juan viene implementando políticas en el desarrollo y construcción de centrales de energía en base a recursos renovables, en particular el aprovechamiento de la Energía Solar. San Juan tiene todas las posibilidades, condiciones climáticas, geográficas y de disponibilidad de recursos para que este uso de la energía pueda explotarse masivamente. Es por ello que se ha gestado, por iniciativa del Gobierno Provincial y con el apoyo del Gobierno Nacional, el Proyecto Solar San Juan [1] que pretende fundar las bases para el crecimiento de la tecnología fotovoltaica (FV) en todos sus tópicos. En la Figura 1 se puede observar un esquema de las Etapas generales con que cuenta el Proyecto Solar San Juan. La idea es en el Mediano Plazo construir la cadena de Valor Agregado completa comenzando desde los extremos. Por un lado, en un extremo se cuenta con una industria que produce Silicio Grado Metálico a partir del Cuarzo. Por el otro extremo y a modo de adquirir experiencia con las distintas tecnologías existentes en el mercado, se encuentra en funcionamiento una Central Fotovoltaica de 1.2 [MW], la primera en Argentina y Latinoamérica

2 de esta magnitud. En la misma se están probando tecnologías de Silicio mono y policristalino (c- Si), Silicio amorfo (a-si) (thin-film), todos ellos a su vez en tres tipos de instalaciones: Fijas, con movimiento en un eje y de dos ejes de seguimiento al Sol. Asimismo ha sido pensada como un Laboratorio para evaluar cuál es la tecnología que permita definir la mejor ecuación Costo-Beneficio. Esta central entrega la energía generada al mercado eléctrico nacional. Adicionalmente, dentro del programa GENREN, se han adjudicado 20MWp a instalarse en la provincia de San Juan, de los cuales 5 MWp se prevé estén en funcionamiento para diciembre de 2011 y el resto para fines de Una etapa complementaria a la generación de energía mediante una central conectada a red y reconocida como agente del mercado eléctrico, es investigar y avanzar en la instalación de sistemas FV en el sector residencial, comercial e industrial a modo de generación distribuida (GD) en la red perteneciente a una empresa distribuidora. del servicio eléctrico en un área determinada, y es por ello que surge la necesidad de realizar análisis e investigaciones tendientes a resolver y aclarar sobre las responsabilidades de la red, el impacto de la inserción de la energía FV [3], el control de la calidad, los procedimientos administrativos, los cambios regulatorios y las bases y sustentos legales necesarios y respaldatorios. El presente Proyecto pretende brindar un aporte adicional en la resolución de un eslabón más, cual es la Prueba Piloto de instalaciones de energía FV en el Sector Residencial conectado a red (sector delimitado en la Figura 1 de la sección 1). Es así, que el Objetivo General del presente Proyecto se puede plantear como: El conjunto de Investigaciones, Resultados y Recomendaciones surgidos de Instalaciones piloto, la elaboración de ensayos, la obtención de mediciones y la formulación de procedimientos Técnicos-Administrativos al incorporar Paneles Fotovoltaicos conectados a red en el sector residencial de una empresa distribuidora de la provincia de San Juan. 3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Figura 1. Etapas Generales del Proyecto Solar San Juan de Mediano Plazo 2. OBJETIVOS GENERALES En operación En la última década se ha observado un acentuado interés en la incorporación de generación eléctrica a pequeña escala a nivel de distribución, lo más cerca posible al lugar del consumo (Generación Distribuida-GD). En San Juan, la energía solar FV se muestra como una alternativa latente [2]. Dentro del marco del Proyecto Solar San Juan, y con la finalidad de avanzar con la instalación y prueba de paneles FV en el Sector Residencial, Comercial e Industrial, se debe abordar el análisis de aspectos técnicos, económicos, administrativos, regulatorios y legales. El Sector Residencial es un mercado cautivo de una empresa distribuidora que posee una concesión En varios países se han establecido Planes de Fomento de las Energías Renovables (ER) que, en general, fijan como una de las metas la promoción u obligatoriedad del uso de la misma en determinados porcentajes, a través de Planes y Leyes Gubernamentales [4]. En Argentina se ha comenzado incipientemente con ello [5-6] y en San Juan está en análisis un sistema de primas (Feed-In-Tariff) para permitir la implementación de un programa de techos solares. El presente Proyecto aborda la conexión a red de un grupo de 3 a 4 viviendas descentralizadas dotadas de Sistemas FV en techo, que se ubicarán en el área de cobertura de la empresa Distribuidora Eléctrica de Caucete Sociedad Anónima DECSA. Se abordan los siguientes objetivos específicos: a) Analizar, evaluar y definir la distribución de cada parte de la instalación del Sistema FV en una vivienda, en convivencia con la instalación actual que la vivienda ya posee. b) Elegir los equipos e instalar sistemas FV de diferente tecnología: Silicio monocristalino, policristalino y amorfo. Permitir a su vez instalaciones fijas y regulables.

3 c) Elegir e Instalar los sistemas de medición de energía a inyectar a red y sistemas de monitoreo y recolección de mediciones internas parciales. d) Elegir e instalar los equipos de protección y de puesta a tierra adecuados. e) Realizar campañas de medición y seguimiento de variables de calidad de servicio y del producto. f) Analizar estrategias de inyección antes de consumo o después de consumo interno. g) Elaborar propuesta del Procedimiento Técnico-Administrativo para solicitar el servicio de conexión a red, incluyendo al usuario, la Empresa Distribuidora y al Ente Regulador. 4. REVANCIA DEL PROBLEMA En la búsqueda de fuentes de energía que reemplacen la producción en base a combustibles fósiles se ha incrementado el interés en la generación de energía solar FV. El apoyo político al desarrollo de la Electricidad Solar promueve la implementación de marcos promocionales de largo alcance en numerosos países. Desde el año 2001, el mercado FV mundial se expande marcadamente a una velocidad superior a la prevista [7-8]. Los críticos de la Electricidad Solar tienen el argumento que sus costos aún no pueden competir con la electricidad producida por fuentes convencionales de energía. Si bien, es esto en parte verdad, a la hora de evaluar los costos y la verdadera competitividad se deben tener en cuenta una serie de consideraciones, como ser: a) Contra que compite exactamente la energía solar. Cuáles son las alternativas. b) Qué tipo de aplicación tendría: Aislada, conectada a red, híbrida. c) Situación geográfica. Costos de inversión iniciales y tiempo de vida. d) Costo de generación real, teniendo en cuenta que las fuentes convencionales también reciben enormes subsidios cruzados. e) Los costos indirectos por la contaminación ambiental. f) El progreso diario y la reducción de costos en la tecnología FV. Las aplicaciones no conectadas a red (aisladas) son en general ya rentables comparadas con la generación diesel y/o la ampliación de la red interconectada. Por su lado, las aplicaciones conectadas a la red son en la actualidad el mayor sector del mercado. Los costos de generación de los sistemas FV domésticos, en general aún no son competitivos con los precios de la electricidad residencial, a no ser que existan programas de apoyo. Los precios de la electricidad residencial varían enormemente, incluso en el seno de los 27 países de la Unión Europea (UE) (entre 7 y 26 céntimos de euro por kwh). En Argentina, la banda de precios oscila entre 3 a 4 veces más barata que en Europa, debido a una energía subsidiada, con lo cual la competitividad de la energía solar FV está un poco más lejos. Es evidente que sin el apoyo de los instrumentos adecuados, la expansión del mercado de la electricidad solar no se producirá a una velocidad suficiente. Para acelerar la reconstrucción de los sistemas de suministro eléctrico es necesario implementar herramientas potentes y eficaces que apoyen el uso de la energía solar. El sistema de primas (Feed-In Tariff (FIT)) ha demostrado su poder y eficacia en el desarrollo de nuevos mercados. Los productores de electricidad solar: a) Tienen el derecho a suministrar electricidad solar a la red pública; b) Reciben una prima por kwh generado que refleja las ventajas de la electricidad solar en comparación con la electricidad generada mediante combustibles fósiles o energía nuclear; c) Reciben la prima durante un periodo de tiempo fijo. El sector energético argentino debe afrontar en el corto plazo una fuerte exigencia debido al crecimiento marcado de la economía, y parte deberá abordarse con ER. Desde el punto de vista legal, los primeros pasos que se dieron en Argentina en apoyo al uso de ER estuvieron respaldados por la Ley Nacional Nº sancionada en el año 1998, de Fomento de la Energía Eólica y Solar. Esta ley declara de interés nacional la generación de energía eléctrica de origen eólico y solar. En diciembre de 2006, se sanciona la Ley Nacional Nº que define el Régimen de Fomento Nacional para el uso de fuentes renovables de energía destinada a la producción de energía eléctrica. La citada Ley, recién se reglamentó parcialmente en Mayo de 2009, quedando aún aspectos sin cubrir. El desarrollo del presente Proyecto brindará esclarecimiento en la metodología para la implementación de sistemas FV conectados a red como GD en usuarios cautivos de una empresa distribuidora. Esto brindará luego, con la implementación de un sistema adecuado de primas (FIT), la base para que este mercado comience a crecer lentamente. El conocimiento a adquirir en el área es de vital importancia a fin de ir potenciando el uso de una

4 energía que puede ayudar a cambiar paulatinamente la matriz energética actual, además de cuidar el medioambiente y de crear y ocupar regionalmente mano de obra. 5. CONSTRUCCIÓN DE LA HIPÓTESIS Y JUSTIFICACIÓN GENERAL DE LA METODOLOGÍA DEL TRABAJO La Metodología de Trabajo se ejecuta según el siguiente Plan de Tareas: a. Profundización práctica de los conocimientos. Identificación y análisis de la Legislación existente sobre el Funcionamiento e Implementación de Energía Solar conectada a red tanto Nacional como Internacional. b. Análisis, Diseño y Especificación de la instalación FV en una vivienda en convivencia coordinada con la instalación ya existente. Análisis, Diseño y Especificación del Punto de Conexión a red. c. Elección de los sistemas FV a instalar: Componentes, Tecnologías, Movimientos, Estructuras de Soporte, Empotramiento, etc. Elección de los medidores a instalar. Elección de los equipos de Protección y de Puesta a Tierra. d. Ensayos de laboratorio de los equipos a instalar en la vivienda. e. Instalación de los equipos FV, medidores, protecciones y acometida de conexión a red. Instalación de equipos de medición de energía y de calidad. f. Ensayos de campo de los equipos y Campañas de medición. g. Elaboración de Propuesta de Procedimientos Técnicos-Administrativos para conexión a red interactuando entre el Usuario, la Empresa Distribuidora y el Ente Regulador. h. Ordenamiento y análisis de la información medida y determinación del sistema FV más conveniente. Ventajas y Desventajas Tipo de diseño de investigación y métodos En primer lugar se realiza una profundización de los conocimientos en las áreas temáticas vinculadas con la propuesta. Estás áreas las podemos mencionar en los puntos siguientes: Componentes del sistema FV: Las tecnologías de celdas condicionan el comportamiento final del panel, rendimiento y los costos correspondientes, y están asociadas con el tipo de procedimiento de fabricación de las mismas. Por ello se realizará un análisis de que tecnología es la más apropiada para ser instalada en San Juan (Silicio monocristalino, policristalino y amorfo). Se estudia la potencia de los paneles FV, tipo de estructura soporte que debe llevar y el área que ocuparan los mismos. Por otro lado, se estudian los componentes electrónicos requeridos, tales como el conversor de corriente continua a corriente alterna (CC/CA) o inversor y los filtros correspondientes. Se analizan variantes para optimizar rendimientos y sus costos. También se estudia el recurso solar disponible, ya que la radiación solar es directamente proporcional a la energía a generar. Por ello se realiza una recopilación de los datos disponibles en San Juan, y es necesario realizar interpolaciones y simulaciones una vez elegidas las viviendas para instalar los sistemas [9]. También se requieren datos de temperaturas, ya que la misma incide en el rendimiento de los paneles y de vientos por las estructuras soporte, entre otros datos. Funcionamiento de un sistema FV conectado a la red: El comportamiento de un sistema FV se ve también condicionado al tipo de conexión del sistema completo a la red. La tensión a obtener dependerá de la tensión de la red a la cual se quiera conectar. Por ello se debe realizar un estudio muy cuidadoso de nuestra red eléctrica y de cuál debería ser el comportamiento óptimo del sistema FV. Se analizan los casos de otros países. Medidores de energía: Teniendo en cuenta que la energía puede ingresar desde la red a la vivienda o viceversa, se realiza un estudio de cual tipo de medidor es el más apropiado para medir esta energía de entrada y salida de la vivienda. Asimismo se trabaja en el desarrollo de un prototipo de medidor. Calidad de servicio eléctrico y producto técnico: Se estudian las normas locales respecto a la calidad del servicio y producto técnico de las redes locales y la legislación vigente como aspectos relevantes que se deben tener en cuenta a la hora de introducir una energía FV a la red. Se estudian las soluciones técnicas adoptadas en otros países. En la etapa siguiente del plan de tareas se realiza el análisis, diseño y especificaciones de la instalación FV en las viviendas. Evidentemente se deben seleccionar las viviendas que se quieren

5 conectar a los sistemas FV. Esta selección tiene en cuenta todo el estudio previo, con los factores ya mencionados [10]. Una vez definidas las viviendas a conectar se realiza un prediseño de los sistemas FV más apropiados para cada vivienda, con las especificaciones requeridas (potencia, tecnología, cantidad de paneles, lugar de colocación, orientación, etc.). Debe ser estudiado el impacto que produce en la red eléctrica [11]. También se debe tener en cuenta la distancia de la vivienda seleccionada a los alimentadores, el nivel de armónicos que tiene la red en ese punto, tipo de consumidores circundantes, planificación de expansión de la red en ese sector, entre otros. Una vez realizado el prediseño de los sistemas FV y su posible distribución y por otro lado estudiado el punto de conexión, se requiere realizar el diseño definitivo de los sistemas FV con el objeto de realizar la instalación. Una vez realizada y verificada toda la instalación se procederá a la conexión a la red en el punto de conexión establecido. Se realizarán varias pruebas en distintas situaciones de carga y de radiación solar para evitar inconvenientes. Otro tema importante es adiestrar al usuario en la operación y mantenimiento del sistema para asegurar el funcionamiento correcto. El mantenimiento debe ser preventivo y correctivo en aquellas cosas que el usuario pueda tener acceso. En relación con las mediciones de la calidad de producto eléctrico a implementar en los puntos de conexión de los equipos FV a la red pública de distribución, se realizan dos etapas distintas de medición. En la primera etapa de la campaña de medición se propone la medición de la calidad previa a la instalación del equipo FV y para la segunda etapa se propone la medición en los mismos puntos seleccionados de la etapa anterior, pero con el equipo FV suministrando energía a la red. Los tiempos de medición serán los exigidos tanto en el ámbito nacional (ENRE) como provincial (EPRE San Juan) para el control de la calidad de servicio eléctrico y por instituciones internacionales tales como IEC e IEEE en sus normativas relacionadas con Compatibilidad Electromagnética - EMC y Power Quality respectivamente [12-13]. A efectos comparativos se analizan normas vigentes en países europeos. Se pretende realizar las mediciones durante al menos por un año. Se instala también, un sistema de adquisición de datos para realizar un seguimiento de las variables del sistema FV y de la vivienda en forma continua para diferentes estados de funcionamiento y épocas del año. Luego se realiza la elaboración de una propuesta de especificaciones técnicas y procedimientos administrativos para la conexión de un sistema FV a la red que sirvan de base para una futura reglamentación y marco legal correspondiente. Se realiza un análisis sobre cuáles son los parámetros más adecuados en San Juan. Debe ser analizado con detenimiento el rendimiento del sistema FV y del sistema en su conjunto. Este se determina en función de la combinación de las variables antes mencionadas y se intentará optimizar este rendimiento a partir de la optimización del rendimiento de los componentes y configuraciones de funcionamiento. Finalmente se elabora el informe final con el detalle de la metodología, los resultados obtenidos en todo el proceso, el análisis de parámetros realizado, las conclusiones obtenidas y una propuesta de las especificaciones técnicas y procedimientos administrativos que se deberán tener en cuenta para la conexión de sistemas FV a la red eléctrica. 6. CONCLUSIONES El proyecto pretende dar un aporte en una temática innovativa, dado que no se tiene conocimientos de avances en este tema a nivel país, como se ha dado en otros países tales como Alemania, España y Estados Unidos. Asimismo el proyecto es un aporte desde la Universidad al Proyecto Solar San Juan, llevado adelante por el Gobierno Provincial. La GD se encuentra en una etapa de rápido desarrollo, y en particular el aprovechamiento de la generación a partir del recurso solar FV para la provincia, ya que la misma presenta condiciones muy favorables para su aprovechamiento. Dado que es un proyecto en etapa de iniciación se pretende analizar, mediante la instalación de sistemas FV experimentales en algunas viviendas (3 o 4) en el área de cobertura de la red eléctrica de distribución de una empresa de la provincia, la interacción de dichos sistemas con dicha red. Para esto se plantean las diversas etapas desde la selección de los módulos FV correspondientes con sus distintos componentes, experimentando con distintas tecnologías, analizar las ventajas y desventajas de cada una, rendimientos de los distintos componentes, tipos de medición más adecuados, punto de conexión a la red eléctrica, etc. Asimismo se medirán las variables más

6 significativas (radiación solar, curvas de demanda, de generación, calidad del producto y del servicio, etc.), tanto en la red eléctrica como en el sistema FV y la vivienda, en forma previa a la conexión a la red y luego de dicha conexión, variando las condiciones de trabajo, a fin de verificar el comportamiento del sistema en su conjunto y su interacción. Finalmente se realiza una propuesta de especificaciones técnicas y procedimientos administrativos para la conexión de un sistema FV priorizando un desarrollo armónico de la relación Usuario, Empresa Distribuidora y Ente Regulador. [11] Contratos de Concesión de Energía San Juan SA y DECSA. [12] ENRE Nº 0184/2000 (Base Metodológica para el Control de la Calidad del Producto Técnico- Etapa 2) - ENRE Nº 0099/1997 (Base Metodológica para el Control de la Emisión de Perturbaciones Producto Técnico Etapa 2). [13] Normativas provinciales emitidas por el EPRE. 7. REFERENCIAS [1] Doña V.M., Strada T.J., Hoesé A. ( ). Proyecto Solar San Juan: Objetivos y Etapas. Gobierno de la Provincia de San Juan Argentina. [2] Pontoriero D. H., Molina M. G., Mercado P. E. Evaluación Técnica y Económica de Generación Hibrida Solar-Eólica en la Provincia de San Juan-Argentina. Actas del XIII ERIAC 2009, Puerto Iguazú, Argentina. [3] Morán F., Facchini M., Pontoriero D., Doña V. Inserción de Generación Distribuida a través de Instalaciones Fotovoltaicas Domiciliarias ajustadas a las Curvas Típicas de Demanda Residencial. Revista AVERMA 2009, Córdoba, Argentina. [4] Informes de la EPIA European Photovoltaic Industry Association. [5] Bellini M., Bonini M. P., Dallo M., Garreta F. Mapa de Recursos Energéticos Alternativos de la República Argentina. ASADES 2005, Neuquén, Argentina. [6] Informe CEIM Confederación Empresarial de Madrid sobre Estudio de Energías Renovables en Argentina. [7] Global Market Outlook for Photovoltaics until Facing a sunny future. [8] Photovoltaic Fact Sheets European Photovoltaic Technology Platform. [9] Mediciones de Radiación realizadas por la estación meteorológica del Instituto de Energía Eléctrica. Biblioteca del Instituto de Energía Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de San Juan, San Juan, Argentina. [10] Campaña de medición: Análisis estadístico de la información. Biblioteca del Instituto de Energía Eléctrica (FI-UNSJ) 2000, San Juan, Argentina.