Taller Internacional sobre Generación Distribuida con Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Cusco, Perú, Noviembre 2, 2010 Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red en México: Situación Actual y Perspectivas Jorge M Huacuz Unidad de Energías No Convencionales Instituto de Investigaciones Eléctricas Cuernavaca, México jhuacuz@iie.org.mx
El Sistema Eléctrico Mexicano Sistema Nacional de Transmisión y Distribución Tipo de Combustible Combustible fósil Hidroelectricidad Nuclear Geotermia Viento Una empresa eléctrica estatal,cfe Otros actores: Productores independientes Auto-abastecedores Co-generadores Pequeños generadores Exportadores Más de 55 GW de capacidad instalada Demanda crece al 5% por año Mayor capacidad requerida para los próximos años 76.5% generado con combustibles fósiles Muy baja participación de las energías renovables no convencionales
Motivación para la Línea de I+D MVA 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 kwh/m es 0 COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA: ZONA MEXICALI (DIA TIPICO) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORA 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 - Verano Horario punta: 12 a 18:00 hrs Demanda Máx: 16:30 hrs Invierno Consumo de energía de un usuario de tarifa DAC en Mexicali vs producción FV ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Demanda de energía Energía consumida en horario FV Prod. FV 6 kwe Mes Sistema BC no conectado a la red nacional; generación con gas importado Demanda eléctrica en verano 2-3 veces mayor que en invierno por uso de aire acondicionado Consecuencias: Menor eficiencia termodinámica de centrales generadoras Exceso de capacidad en invierno Mayores inversiones en subsistema de distribución Mayores costos de mantenimiento
La energía solar como solución Disponible en todo el territorio Altos valores de insolación (Promedio diario anual: 5.5 kwh/m 2 ) Coincidente con regiones de alta demanda por aire acondicionado Muy pocas aplicaciones Fuera de red: ~20 MW Conectada a red: apenas iniciando
CONFIGURACIÓN BÁSICA DEL SISTEMA Generador FV Inversor FV Cargas Eléctricas Medidor Bidireccional Red Eléctrica
Año 1997-1999 IIE Localidad Cuernavaca Investigación del sistema Las Primeras Experiencias Objetivo Potencia Pico (kw) 1.7 Situación Actual Desmantelado 1999-2000 IIE-CFE Mexicali Prueba de concepto autogeneración 1.5 Desmantelado 2000-2006 IIE-CFE Mexicali 4 sistemas: evaluar beneficios a red y a usuarios; probar tecnologías 1.5 2 kw cada uno Desmantelado 2001-2006 IIE-CFE Hermosillo Prueba de concepto autogeneración 1.5 Desmantelado 2002- a la fecha IIE-IP Nuevo León Prueba de concepto autogeneración institucional 1 En operación 2005-a la fecha IIE-LFC-IP Ciudad de México Prueba piloto autogeneración comercial 30 En operación 2006-a la fecha IIE-CFE-IP La Paz, BCS Prueba piloto usuario DAC 6.5 En operación 2006-a la fecha Gob.BC-CFE-IIE Mexicali Primer vecindario FV en México 220 casas, 1kW c/u En operación 2008 Usuarios domiciliarios Tijuana, Guadalajara Región Laguna Contratos comerciales con medición neta ~10, 1-2 kw c/u En operación
Proyectos Piloto Período 1997-2002 1 2 1. Cuernavaca (IIE) 2. Mexicali 3. Hermosillo 4. Monterrey 3 4
Instalaciones piloto-demostrativas CIS1 Casa 2 SIP4 Casa 1 Casa 2 Casa 3 Casa 4 22 20 Potencia promedio demandada en el transformador de distribución: Mexicali 110 100 18 90 Potencia real y reactiva (Kw - Kvars) 16 14 12 10 8 6 4 80 70 60 50 40 30 20 Temperatura (ºC) y F.P. (%) 2 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 SEPTIEMBRE 2001 (Promedio Mensual) Pot. real Pot. reactiva Potencia estimada sin FV (Ref.) Temp. en el transf. Factor de potencia
Beneficios Derivados Efecto de Nivelación de Carga en la Vivienda (Agosto 1999) 4500 4000 45 40 Beneficios al usuario: 3500 3000 35 30 Menor consumo de red Demanda (Watts) 2500 2000 1500 Reducción de demanda pico 25 20 15 Temperatura (ºC) Tarifas eléctricas más bajas Sombreado de la vivienda 1000 10 500 0 5 0 3500 Inyección a red en la vivienda (Promedio mensual) 45-500 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00 Hora Demanda Promedio a la Red con FV Demanda Promedio de la Vivienda Beneficio al sistema: Alivio de la red Aportación FV Promedio Temperatura Ambiente Promedio Menores costos de mantenimiento Menores inversiones en capacidad Menores pérdidas por transmisión y distribución Menores pérdidas por ineficiencia termodinámica -5 Demanda (Watts) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0-500 Inyección a red -1000 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 AGOSTO 2001 Demanda con FV Aportación FVDemanda en la vivienda Temperatura Ambiente 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Proyecto Valle de las Misiones, Mexicali, BC. Proyecto piloto iniciado en 2006 Primera fase: 220 casas con 1 kw FV c/u Evaluación en curso: Desempeño técnico Beneficios económicos al usuario Beneficios técnicos a red Estudios de máxima penetración Beneficios al sistema eléctrico
Beneficio Económico al Usuario 158 KWH Ejemplo 1 SFVI en Mexicali, B.C. ENERGIA GENERADA POR EL PANEL SOLAR = 158KWH ENERGIA ENTREGADA A CFE = 63 KWH ENERGIA ENTREGADA POR CFE = 311 KWH ENERGIA FACTURADA = 311 63 = 248 KWH ENERGIA CONSUMIDA REAL = 311 + 158 63 = 406 KWH IMPORTE POR 248 KWH = $ 242.32 IMPORTE POR 406 KWH = $ 609.29 BENEFICIO = $ 366.97 BOLSA DE ENERGIA = 0 KWH 63 KWH 311 KWH
Beneficio Económico al Usuario 170 KWH Ejemplo 2 ENERGIA GENERADA POR EL PANEL SOLAR = 170 KWH ENERGIA ENTREGADA A CFE = 129 KWH ENERGIA ENTREGADA POR CFE = 87 KWH ENERGIA FACTURADA = 87 129 = 0 KWH ENERGIA CONSUMIDA REAL = 87 + 170 129 = 128 KWH IMPORTE POR 0 KWH = $ 15.52 IMPORTE POR 128 KWH = $ 85.53 BENEFICIO = $ 70.01 BOLSA DE ENERGIA = 42 KWH 129 KWH 87 KWH
Si el consumidor genera localmente parte importante de lo que demanda para no ser clasificado como un usuario DAC, la energía que produce localmente tiene un doble valor económico: Continuación en la tarifa normal de servicio doméstico correspondiente 1D (costo bajo); y Toda la energía generada localmente sustituye la energía más cara para el usuario (tarifa DAC) 6 kwp La Paz, Baja California Sur 6 kwp Generador fotovoltaico en la azotea de la vivienda. Tarifa CFE aplicable de 1D (localidades con una T media mínima en verano de 31ºC. Límite DAC de 1,000 kwh/mes (precio más alto)
6 kwp La Paz, Baja California Sur Desempeño del SFVI en función de la irradiación Reducción de la demanda de electricidad a la CFE (Verano del 2008 ) La energía producida (10,074 kwh ) representa el 41% del total consumido en la vivienda (24,463 kwh); este ahorro de electricidad en tarifa DAC generó un ahorro anual en la facturación- de $28,000.00 M.N. Aprox. El usuario pagó el 59% del monto de la facturación que hubiese tenido si toda la electricidad utilizada en la vivienda la demandara de CFE.
Aplicaciones en Comercios Primer sistema FV trifásico interconectado a la red de distribución. Capacidad: 30.6 kw InstalacIón a finales de 2005. Instrumentado en mayo de 2006 para caracterizar su operación y evaluar su desempeño e interacción con la red
Sistema de acondicionamiento de potencia (2) Inversores trifásicos Xantrex de 15 KW (2) Transformadores de aislamiento Delta-Estrella
Resultados operacionales en The Green Corner Junio 2006- Mayo 2007 Datos del Generador Fotovoltaico Potencia Nominal [kwp] 30.6 Potencia Máxima Registrada Potencia Máxima de Salida [W] 23551.7 Área del Generador [m 2 ] 263.41 Día 288.0 Tipo de Módulos Si cristalino Hora 1140 Ángulo de Inclinación del Arreglo 19º Irradiancia W/m 2 1077.4 Azimut 0º Temperatura Ambiente [ º C] 20.7 Temperatura de los Módulos [ º C] 45.0 Datos del Inversor Potencia Nominal [kw] 15 Producción Normalizada / Pérdidas Producción de Referencia [kwh/m 2 ] 1733.4 Voltaje de Entrada [VCD] 408-521 Producción Generador FV [kwh/kwp] 1170.5 Datos Climatológicos Producción Final de la Planta [kwh/kwp] 971.7 Irradiación en el Plano del Arreglo [kwh/m 2 ] 1733.4 Pérdidas por Paro Forzado [kwh/m 2 ] 55.3 Irradiación Diaria Promedio [kwh/m 2 -día] 4.7 Pérdidas de Captación [kwh/kwp] 507.6 Irradiación Total (P. Arreglo) [kwh] 456603.4 Pérdidas Acond. de Potencia [kwh/kwp] 198.8 Temperatura Ambiente Promedio [ º C] 17.8 Eficiencia Promedio Temperatura de Módulos Promedio [ º C] 21.9 Eficiencia del Generador FV 8.1% Balances de Energía Eficiencia Sist. Acond. Pot. 82.9% Energía Producida por el Arreglo FV [kwh] 35818.3 Eficiencia de la Planta 6.7% Energía Entregada por el Sistema [kwh] 29733.6 Otros Índices de Desempeño Energía Entregada a CFE [kwh] 7111.0 Tiempo de Paro [Hrs.] 129.17 Energía Consumida de CFE [kwh] 72501.9 Disponibilidad de la Planta 97.1% Consumo en el Inmueble [kwh] 95124.5 Relación de Desempeño 54.5% Factor de Planta 11.1%
Resultados operacionales en The Green Corner Datos climatológicos Reducción de la demanda en el inmueble (junio, 2006) 180 Datos climatologicos 45 20000 30 160 40 140 35 15000 24 Irradiación (KWh/m2) 120 100 80 60 40 30 25 20 15 10 D e m a n d a ( W a tts ) 10000 5000 260.6 kwh/día 18 12 20 5 0 6 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 2007 2006 0-5000 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 Irradiacion en el plano del Arreglo (KWh/m2) Temperatura Ambiente Promedio Temperatura de los módulos FV promedio JUNIO 2006 Demanda con FV Aportación FV Demanda en el inmueble Temperatura Ambiente De la irradiación captada en el plano del arreglo FV (1,733 kwh/m 2.año), el 63.8% de ésta se captó con valores de irradiancia entre 550 y 900 W/m 2. El 31.2% del total de la energía utilizada en el inmueble fue proporcionada por el SFVI.
174kW; Wal-Mart de México (Aguascalientes, AGS. 2009) 1,056 MFV que ocupan el techo de la tienda Aurrerá (2, 173.5 m 2 ). El SFV generará 265,641 kwh/año; el 20% de la energía que la tienda requiere anualmente. Se evitará la emisión de 140 toneladas de CO2 al ambiente. 2 millones de USD Desarrollado por G3 Servicios Ambientales GFV en la azotea de la tienda. MFV de empresa alemana Aleo Solar AG. G3 está a cargo del financiamiento, la instalación y la operación así como del mantenimiento posterior.
60 kwp UAM-I, México DF Potencia Nominal: 60 kwp Número de Módulos FV: 286 Número de Inversores : 21 Potencia Unitaria: 210 Wp Inclinación: 19 Orientación: Sur Magnético
Sistema Institucional 60 kwp UAM-I, México DF Cuarto de Inversores (antes) Cuarto de Inversores Patrón Contribución de demanda FV en Edificio eléctrica de Oficinas Demanda (kw) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Sin generación FV Con generación FV 0 00:15 01:00 01:45 02:30 03:15 04:00 04:45 05:30 06:15 07:00 07:45 08:30 09:15 10:00 10:45 11:30 12:15 13:00 13:45 14:30 15:15 16:00 16:45 17:30 18:15 19:00 19:45 20:30 21:15 22:00 22:45 23:30 Hora del día Actual Aportación del SFVI Con un SFVI de 60 kwp Estructura para la instalación de Módulos FV
Estudio de Penetración a Red Hasta 800 MW Miguel Imperial Valley 6 Zona Costa 7 1 3 4 Hasta 520 MW 5 Zona Valle 2 1. Central Ciclo Combinado Mexicali (InterGen, La Rosita) PIE: 489 MW (autorizados 597 MW) Exportación: hasta 636 MW 2. Central geotérmica Cerro Prieto (CFE) 720 MW 3. Central turbogás Mexicali (CFE) 62 MW 4. Termoeléctrica de Mexicali (SEMPRA) Exportación: 625 MW, autorizados 680 MW 5. Centra eólica La Rumorosa 10 MW (autoabastecimiento, CEE de BC, 2010) 6. Central Presidente Juárez (TC/ CC/ TG, CFE) 1026 MW 7. Turbogás Ciprés (CFE) 28 MW
Estudio de Penetración a Red Generación FV máxima permisible en Mexicali para condiciones de carga del 2007 Días Crítíticos
Estudios de Penetración Penetración máxima permisible de SFVI en Mexicali Máximos permisibles Escenario bajo Escenario medio Escenario alto 2010 2017 2010 2017 2010 2017 Capacidad FV interconectada máxima 81 323 98 399 118 469 permisible, MW Métricas de penetración Penetración instantánea pico 14.0% 43.8% 16.7% 50.2% 19.6% 55.0% Penetración relativa a la carga pico 5.1% 16.1% 6.1% 18.5% 7.1% 20.3% Penetración relativa a la capacidad total 6.2% 24.6% 7.5% 30.4% 9.0% 35.7% Penetración energética 2.3% 7.1% 2.7% 8.1% 3.2% 8.9%
Foto Red 100 Iniciativa CFE para incorporar 100 MW de SFV a la red del Sistema Baja California Estudios preparatorios en proceso Oportunidades en Regiones No Críticas Analizar oportunidades y barreras para la aplicación de SFV conectados a red en regiones de clima no extremo Otras Iniciativas en Curso Especificaciones Técnicas CFE Vecindario FV Seguimiento del estado físico y operativo de los sistemas Evaluación del grado de satisfacción de los usuarios y evolución de patrones de consumo eléctrico Análisis de beneficios para usuarios y red Identificación y Remoción de Barreras (GEF-PNUD) Cursos de diplomado en SFV para: Ingenieros de CFE-Distribución Profesores Universitarios Personal de empresas Talleres y conferencias Material promocional
Perspectivas Nichos actuales: Consumidores doméstico de tarifa alta Pequeñas aplicaciones comerciales (hasta 500 kw) Edificios gubernamentales e institucionales Vivienda nueva Prospectos futuros: Aplicaciones comerciales grandes Electricidad para exportación Soporte de red Eliminación de picos estacionales/regionales Alivio al sistema eléctrico
Pros y Contras Los Impulsores Tarifas eléctricas crecientes Buen recurso solar Medición neta para usuarios domiciliarios y pequeños comercios OK Contrato de interconexión a red para grandes autoabastecedores OK Depreciación acelerada para inversiones amigables con el ambiente Cero impuestos de importación para equipo amigable con el ambiente Nueva Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables Tech apeal Las Barreras Desconocimiento generalizado de la tecnología Altos requerimientos de inversión Primas e incentivos económicos fuera de posibilidad Ventas directas a CFE con base en $/kwh, no competitivas La generación distribuida, en contra del paradigma lo más grande es mejor Cadenas de valor pendientes de implementar en la economía nacional Disponibilidad de petróleo, freno mental para el cambio Carencia de personal técnico calificado para la identificación y desarrollo de proyectos
Qué Falta por Hacer? Cuantificar los nichos de oportunidad para la implantación masiva de los sistemas FV Crear la infraestructura operativa para el soporte de las actividades de implantación comercial y masiva de los sistemas FV Elaborar y emitir normas y reglamentos técnicos para certificación de equipos e instalaciones interconectadas a red Definir estrategias y crear mecanismos para el financiamiento de los sistemas Crear las cadenas de valor para que los beneficios de la implantación masiva se queden en México Formar recursos humanos especializados en el tema
Evolución del Inversor Fotovoltaico Espiga I Estado Actual Avance Pendiente Prototipo Industrial IIE Inversor FV de 1 KVA Ajustes, Pruebas Piloto y Desarrollo de Interfaz Gráfica Inversor FV de 1 KVA Prototipo Electrónico Industrial Rumbo al Prototipo comercial Producto Comercial Empresa Desarrollo del gabinete Pruebas en campo y certificación Licenciar la tecnología desarrollada
Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) www.iie.org.mx jhuacuz@iie.org.mx Gracias...