FOTOLINERAS. Alumno: Ionut-Cristian Ilie Profesor: Francisco Fabregat Santiago Asignatura: SIV007 Tecnología Fotovoltaica

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1 FOTOLINERAS Alumno: Ionut-Cristian Ilie Profesor: Francisco Fabregat Santiago Asignatura: SIV007 Tecnología Fotovoltaica

2 Índice Introducción... 3 Estado actual del sector fotovoltaico... 4 Tipos de vehículos eléctricos... 5 Integración en el sistema eléctrico... 6 Tipos de fotolineras... 7 Modos de carga de un coche eléctrico... 8 Tipos de recarga... 9 Tipos de conectores Análisis de emisiones contaminantes Instalación y Cálculos Tipo de recarga Tesla S Presupuesto Rentabilidad Conclusiones Bibliografía

3 Introducción El conjunto de las energías renovables se encuentra en un momento crítico que puede marcar su desarrollo en el futuro. A pesar de los efectos de la crisis económica, a nivel global continuamos experimentando un crecimiento significativo de las energías renovables, y cada vez hay más países que están poniendo en marcha planes de desarrollo para la implantación de este tipo de energías. Son muchos los motivos que impulsan su desarrollo, entre los que podemos destacar: La lucha contra el cambio climático. La independencia energética y la seguridad de suministro. La competitividad nacional y el desarrollo tecnológico y creación de empleo. Los elevados precios del petróleo no hacen sino reforzar esta tendencia. Esperamos por tanto que las energías renovables constituyan una de las fuentes de energía más relevantes y de mayor potencial de crecimiento en los próximos años. En este contexto de apoyo a los renovables convergen muchas alternativas que no solo deben competir con los combustibles fósiles (carbón, gas, petróleo) y la energía nuclear, sino que además deben competir entre ellas. En esta situación, las compañías eléctricas, los promotores de proyectos renovables y los gobiernos y reguladores deben definir una estrategia coherente a futuro y ser cuidadosos en la selección de su mix tecnológico. Además de la generación, el sector del transporte tiene gran culpa de las emisiones a la atmósfera de CO2. El transporte es el sector que más energía consume en España, alcanzando un 39% del total nacional. Cabe resaltar en este sentido que, solamente el vehículo turismo representa aproximadamente el 15% de toda la energía final consumida en España. No solo es importante el desarrollo de las energías renovables, sino también la mejora de la eficiencia energética en el transporte, pensando en la implantación futura de una movilidad sostenible. La figura 1 muestra un ejemplo de un pequeño parking adecuado para la recarga de vehículos eléctricos con módulos solares fotovoltaicos [1]. La electrificación del vehículo constituye una alternativa tanto para la reducción de emisiones como para aumentar la eficiencia del transporte. El vehículo eléctrico (VE) puro y otras soluciones intermedias como los híbridos y eléctricos de rango extendido competirán con otras soluciones más convencionales (mejoras sobre el motor de combustión interna, transición hacia flota de vehículos de menor tamaño, etc.) de cara a lograr el objetivo de incremento de la eficiencia de los nuevos vehículos vendidos. 3

4 Figura 1. Ejemplo de parking eléctrico Estado actual del sector fotovoltaico España se situó en el año 2010 como el segundo país a nivel mundial, tras Alemania, en potencia instalada. Sin embargo, en ese año se aprobó el Real Decreto 14/2010, llamada por algunos la Ley anti-fotovoltaica, con multitud de cambios que produjeron un estancamiento del sector. Por otro lado, y más recientemente, el 8 de diciembre de 2011 se publicó en el BOE el RD 1699/2011, llamado a ser el decreto que regulara el Autoconsumo. Sin embargo, esta nueva normativa lo único que regula son las condiciones de solicitud, los procedimientos de conexión y las condiciones técnicas para instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia. Los aspectos más positivos y a destacar de este nuevo RD son que legaliza las instalaciones de autoconsumo que hasta ahora estaban en un vacío legal y permite instalar contadores en paralelo para computar la energía autoconsumida así como ceder la energía generada a terceros, aunque no se especifica cómo se debería hacer. Todavía queda la aprobación de la legislación que regulará el tema del Balance Neto. A nivel global continuamos experimentando un crecimiento significativo de las energías renovables, y cada vez hay más países que están poniendo en marcha planes de desarrollo para la implantación de este tipo de energías. 4

5 Tipos de vehículos eléctricos Existen diversas tipologías de vehículos eléctricos, como son el híbrido (HEV), el hí- brido enchufable (PHEV), el eléctrico de batería (BEV o EV), ver Figura 2 o el eléctrico de autonomía extendida (EREV), ver Figura 3. Estos vehículos están propulsados únicamente por un motor eléctrico. La fuente de energía proviene de la electricidad que se obtienen de la fuente renovable o de la energía almacenada en la batería que se cargan mediante los paneles fotovoltaicos. Las emisiones contaminantes son nulas y permite un gran ahorro económico al necesitar electricidad en lugar de combustible. Por el contrario, la autonomía es muy inferior a la de un vehículo convencional, lo que da inseguridad al usuario pues la red actual de recarga es muy limitada. Otra de las grandes ventajas de estos vehículos es su eficiencia, llegando a ser de un 77% si la energía de recarga es de origen renovable, valor muy superior al del 25 % correspondiente al vehículo de combustión. Figura 2. Tipos de vehículos eléctricos 5

6 Figura 3. Componentes del vehículo eléctrico Integración en el sistema eléctrico El vehículo eléctrico puede ser un instrumento muy útil para aplanar la curva de demanda y aumentar el porcentaje de energías renovables en el mix de generación eléctrica, o convertirse en un factor adicional de desequilibrio de la misma, dependiendo de cómo y cuándo se realicen las recargas de los mismos. El sistema eléctrico español tiene capacidad para integrar a millones de vehículos eléctricos, siempre que la recarga de los mismos se realice de una manera controlada, aprovechando los momentos valle del sistema. Para estimular que la recarga de los VE se realice en momentos valle, desde el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio se creó en 2011 una tarifa supervalle con discriminación horaria para la recarga de vehículos eléctricos entre la una y las siete de la mañana. Sin embargo, esta medida es únicamente un incentivo económico, que no garantiza que las recargas de los vehículos se vayan a realizar en esta franja horaria. Para acomodar las recargas de los vehículos eléctricos a la potencia disponible en el sistema eléctrico, es necesario dotar a las estaciones de recarga de sistemas de control inteligentes, idealmente con una comunicación permanente con un centro de control. Las estaciones de recarga dotadas de sistemas de control pueden aprovechar todo el potencial que ofrece la recarga de vehículos eléctricos en modo 3, regulando la potencia suministrada a las cargas según una configuración local en cada estación o siguiendo instrucciones remotas desde el centro de control. En el portal web de Red Eléctrica de España está disponible un simulador de recarga del vehículo eléctrico, que permite a los visitantes 6

7 realizar simulaciones de recarga de vehículos eléctricos a nivel estatal, considerando factores como el del grado de inteligencia de la infraestructura de recarga. Las posibilidades que ofrece un centro de control en combinación con una red de estaciones de recarga inteligentes son muy extensas, y entre ellas figuran las siguientes: Adaptación de la demanda de potencia de los vehículos conectados a la potencia disponible en cada momento Optimización según perfiles de usuarios de una recarga con generación mínima de CO2 o de coste mínimo usuarios Tarificación de la energía transferida según ubicaciones y potencias requeridas por los Posibilidad de contratar recargas de vehículos en itinerancia o roaming, ya sea entre operadores o entre países. cartografía. Realización de reservas previas de estaciones y localización de las mismas en la A largo plazo, el conjunto de vehículos conectados a esta red de recarga inteligente puede comportarse como un sistema de almacenamiento eléctrico reversible (V2G Vehicle Two Grid) Tipos de fotolineras En cuanto a la infraestructura de recarga, existen actualmente distintas posibilidades en el mercado como son los postes de recarga para aparcamientos privados o para uso público (únicos o múltiples), puntos de pared, etc. Todos ellos se pueden adquirir con diferentes opciones, tales como identificación personal por medio de tarjeta, sistemas de prepago con software de gestión y monitorización, recarga inteligente, con protecciones eléctricas, seguridad y antirrobo, etc. Los tipos de recarga dependerán del tipo y la potencia eléctrica suministrada. Así tendremos recarga lenta (6~8 h para recargar una batería de 24 kwh), semi-rápida (3~4 h) y rápida (15~30 minutos) 7

8 Modos de carga de un coche eléctrico Los modos de carga tienen que ver con el nivel de comunicación entre el vehículo eléctrico y la infraestructura de recarga (y por consiguiente la red eléctrica), y el control que se puede tener del proceso de carga, para programarla, ver el estado, pararla, reanudarla, o incluso volcar electricidad a la red. Modo 1, sin comunicación con la red. Sería el que se aplica a una toma de corriente convencional con conector Schuko. Modo 2, grado bajo de comunicación con la red. El cable cuenta con un dispositivo intermedio de control piloto que sirve para verificar la correcta conexión del vehículo a la red de recarga. Podría seguir usándose un conector Schuko. Modo 3, grado elevado de comunicación con la red. Los dispositivos de control y protecciones se encuentran dentro del propio punto de recarga, y el cable incluye hilo piloto de comunicación integrado (por ejemplo los conectores SAE J1772, Mennekes, Combinado o Scame). Modo 4, grado elevado de comunicación con la red. Hay un conversor a corriente continua y solo se aplica a recarga rápida (por ejemplo, conector CHAdeMO). 8

9 Tipos de recarga Se consideran cinco tipos de recarga según la velocidad de esta, es decir, cuánto tiempo lleva recargar las baterías, que depende directamente de la potencia disponible. Recarga super-lenta, cuando la intensidad de corriente se limita a 10 A o menos por no disponer de una base de recarga con protección e instalación eléctrica adecuada. La recarga completa de las baterías de un coche eléctrico medio, unos 22 a 24 kwh de capacidad, puede llevar entre diez y doce horas. Recarga lenta, también se puede llamar convencional o recarga normal. Se realiza a 16 A, demandando unos 3,6 kw de potencia. Recargar esas mismas baterías puede llevar entre seis y ocho horas. Recarga semi-rápida, en inglés se suele llamar quick-charge, menos rápida que la fastcharge. Se realiza a una potencia de unos 22 kw. Renault apuesta bastante por este tipo de recarga, por ejemplo, con su cargador de bajo coste Camaleón, compatible con el Renault ZOE. La recarga puede llevar una hora u hora y cuarto. Recarga rápida, la potencia que se demanda es muy alta, entre 44 y 50 kw. La recarga de esos 22 a 24 kwh de baterías puede llevar media hora. Lo normal es que no se haga una recarga del 100% sino en torno al 80% o 90%. Recarga ultra-rápida, apenas se usa, y debe considerarse algo todavía experimental, en vehículos eléctricos a prueba con acumuladores de tipo supercondensadores (por ejemplo algunos autobuses eléctricos). La potencia de recarga es muy elevada, y en unos cinco o diez minutos se pueden recargar las baterías. Las baterías de iones de litio no soportan la temperatura tan elevada que provoca este tipo de recarga pues deteriora gravemente su vida útil. 9

10 Tipos de conectores Los tipos de conectores todavía no están estandarizados a nivel mundial. Así que hay varios enchufes, con diferente tamaño y propiedades. Ha habido un intento de unión entre los fabricantes alemanes y los norteamericanos con el sistema combinado, pero no se han puesto de acuerdo con los franceses y los japoneses. Conector doméstico tipo Schuko, responde al estándar CEE 7/4 Tipo F y es compatible con las tomas de corriente europeas. Tiene dos bornes y toma de tierra y soporta corrientes de hasta 16 A, solo para recarga lenta y sin comunicación integrada. Lo podemos encontrar en múltiples electrodomésticos. Conector SAE J1772, a veces conocido también como Yazaki. Es un estándar norteamericano, y es específico para vehículos eléctricos. Mide 43 mm de diámetro. Tiene cinco bornes, los dos de corriente, el de tierra, y dos complementarios, de detección de proximidad (el coche no se puede mover mientras esté enchufado) y de control (comunicación con la red). Nivel 1: Hasta 16 A, para recarga lenta. Nivel 2: Hasta 80 A, para recarga rápida. Conector Mennekes, es un conector alemán de tipo industrial, VDE-AR-E , a priori no específico para vehículos eléctricos. Mide 55 mm de diámetro. Tiene siete bornes, los cuatro para corriente (trifásica), el de tierra y dos para comunicaciones. Monofásico, hasta 16 A, para recarga lenta. Trifásico, hasta 63 A (43,8 kw) para recarga rápida. Conector único combinado, se ha propuesto por norteamericanos y alemanes como solución estándar. Tiene cinco bornes, para corriente, protección a tierra y comunicación con la red. Admite recarga tanto lenta como rápida. Conector Scame, también conocido como EV Plug-in Alliance, principalmente apoyado por los fabricantes franceses. Tiene cinco o siete bornes, ya sea para corriente monofásica o trifásica, tierra y comunicación con la red. Admite hasta 32 A (para recarga semirápida). 10

11 Conector CHAdeMO, es el estándar de los fabricantes japoneses (Mitsubishi, Nissan, Toyota y Fuji, de quien depende Subaru). Está pensado específicamente para recarga rápida en corriente continua. Tiene diez bornes, toma de tierra y comunicación con la red. Admite hasta 200 A de intensidad de corriente (para recargas ultra-rápidas). Es el de mayor diámetro, tanto el conector como el cable. Figura 5. Tipos de cargadores 11

12 Análisis de emisiones contaminantes Uno de los principales objetivos perseguidos con la adopción masiva del vehículo eléctrico en España es reducir nuestra dependencia energética del petróleo. Actualmente, el 97% de la energía utilizada en el transporte en España proviene de derivados del petróleo, que importamos en su gran totalidad, y que supone un impacto muy negativo en nuestra balanza comercial exterior. Para que la disminución de uso del petróleo en el transporte tenga una reducción significativa en las emisiones de CO2 es fundamental que la generación de electricidad también se realice siguiendo criterios para evitar al máximo la generación de CO2, realizándola en aquellos momentos en que la presencia de fuentes renovables en el mix de generación de energía eléctrica sea máxima. Las emisiones generadas por los coches eléctricos, en caso de que la energía fuera generada según el mix energético español sería de aproximadamente 0,26 kg CO2 / kwh. Si la energía proviene de energías renovables, como el análisis de proyecto de energía fotovoltaica planteado en este artículo, las emisiones contaminantes serían prácticamente nulas. La Figura 4 muestra un gráfico comparativo de las emisiones para los vehículos analizados, considerando un recorrido de 100 km diarios y recarga con energía no renovable. Aun así, podemos comprobar la gran diferencia de emisiones sin utilizar energías limpias. Figura 4. Vehículo de Combustión VS Vehículo Eléctrico 12

13 Instalación y Cálculos La instalación pensada sería de autoconsumo, para este caso se necesita unos 27 módulos fotovoltaicos (por ejemplo, el modelo SolarWorld SW300 Mono) de 300 W tomando como producción de la zona 1450 kwh/ kwp (ej. Castellón de la Plana), resultando una instalación de 8,1 kwp. El inversor a instalar podría ser el SMA STP TL-10. Los módulos serían colocados en 2 series de 9 paneles solares con orientación respecto al sur e inclinación de 20º. El presupuesto total estimado para esta instalación sería aproximadamente de ,94. La Figura 6 muestra un dibujo de como sería la estructura del parking con los módulos fotovoltaicos aunque en esta imagen aparecen 24 paneles, la forma del parking seguirá este modelo y en la tabla 1 se observan los consumos energéticos de distintos tipos de coches eléctricos durante un recorrido medio de 100 km. Figura 6. Modelo de instalación Tabla 1. Consumo energético tipos de coches eléctricos 13

14 Se toma como modelo de coche el Tesla Modelo S ya que tiene más consumo y se supone un consumo medio diario de 100 km y un consumo medio anual de km/año. Tesla modelo S La distancia media que hemos supuesto que recorre el coche en un día es de alrededor de 100 km, por lo tanto: Enérgia día coche = 21 kwh día Consumo Tesla S Paneles solare instalados: Modelo: Panel solar 300W SolarWorld SW300 Mono Energía diaria panel = W p 1 panel HSP (Horas solar pico) = kwh día Tabla 2. Cálculo de la hora solar pico en Castellón de la Plana Energía diaria 1 panel = 300 W p 2,64 = 0,792 kwh día 14

15 En este caso nosotros necesitamos la energía necesaria para poder cargar el coche después de recorrer los 100 km. Veamos los paneles que necesitamos para cubrir la demanda de energía N º paneles a instalar = kwh 21 día 0,792 kwh = 26,51 27 paneles día Energía diaria = 300 2,64 27 = 21, 384 kwh día Nota: Con los cálculos que se presenta anteriormente se puede observar que cubrimos la demanda de recarga del coche una vez recorrido los 100 km. La instalación de los paneles se realiza de la siguiente forma: Se conectan 3 series de 9 paneles 15

16 Inversor SMA Sunny Tripower STP TL-20 Inversor Solar 16

17 Tipo de recarga Tesla S Teniendo en cuenta que se debe de realizar una recarga de 21 kwh/día el modo de recarga será Semi-Rápida, aunque Tesla Motors apuesta por la recarga Ultra-Rápida, en nuestro caso solamente necesitamos cargar la batería a un 20% de su capacidad. El modo de carga es: Modo 3, grado elevado de comunicación con la red. Los dispositivos de control y protecciones se encuentran dentro del propio punto de recarga, y el cable incluye hilo piloto de comunicación integrado (por ejemplo, los conectores SAEJ1772, Mennekes, Combinado o Scame). En el caso del Tesla modelo S tiene compatibilidad con el conector SAEJ1772, aunque el Mennekes ha comenzado a comercializarse para este modelo. 17

18 Presupuesto Productos Nº Precio/ ud Precio total Panel Solar SunModule Plus SN300 Mono *27 paneles =7020 SMA Sunny Tripower STP TL-20 Inversor Solar , ,91 Conector SAEJ cable eléctrico 1 205,94 205,94 Mano de Obra Coste total ,94 Rentabilidad Energía producida por los paneles (día) 21,384 kwh día Energía producida por los paneles (año) 21,384 kwh día 365 días año = 7805,16 kwh año Ahorro económico 1 año Mantenimiento Amortización de la inversión (años) 7805,16 kwh año 0,177 kwh = 1381,51 año 300 /año , ,51 año 300 = 15 años año 18

19 Conclusiones El análisis del proyecto propuesto, aunque disponga de una tasa de amortización de 15 años se debe de tener en consideración la vida útil de los paneles una vez amortizada la inversión, es decir los paneles solares disponen de 10 años demás hasta que dejen de rendir a su potencial máximo. Eso sí no hay que menos preciar la vida útil del inversor ya que dispone de menos vida útil en cambio tienen una garantía de 5 años que se puede prolongar para 25 años, es decir tanto los paneles como el inversor, dos mecanismos importantes del negocio pueden durar 25 años trabajando a una eficiencia elevada. Otro aspecto que hay que tener en consideración, es el hecho de que la implantación de distintos puntos de recargas puede favorecer al mundo de hoy y de mañana tanto desde el punto de vista ambiental como la gran posibilidad de ofrecer puestos de trabajos. 19

20 Bibliografía BLK_US% pdf