Energías Renovables Tipos Disponibles y Aplicaciones en la Agricultura Taller de Difusión Concurso ERNC - CNR La Serena, Octubre 2013
Agenda -Sobre el Centro de Energías Renovables - CER -Energías Renovables Fuentes Tecnologías -Energías Renovables No Convencionales en Chile -Tipos de proyectos ERNC Etapa de pre-inversión y ciclo de vida -Autoconsumo y aplicaciones de ERNC en la agricultura -Sistema de bombeo fotovoltaico -Herramientas de apoyo para el desarrollo de proyectos
Sobre el Centro de Energías Renovables - CER
Misión del CER Asegurar la participación óptima de las Energías Renovables No Convencionales en la matriz energética de Chile para contribuir al desarrollo sustentable del país.
Centro de Energías Renovables El CER es un comité CORFO, constituido en Agosto del 2009, que trabaja bajo los lineamientos del Ministerio de Energía Objetivos: Consolidar los esfuerzos de los distintos organismos gubernamentales para el desarrollo de las ERNC. Promover y fomentar las políticas del Ministerio de Energía, a través de: Acompañamiento y orientación a desarrolladores de proyectos. Gestión de información y creación de contenidos. Provisión de insumos para el desarrollo de políticas públicas para las ERNC. Diseño, promoción e implementación de instrumentos de fomento.
Energías Renovables Fuentes Tecnologías
Fuentes de Energía Renovable Corresponden a aquellas fuentes de energía que pueden renovarse continuamente en escala de tiempo humana Todas provienen directa o indirectamente del sol salvo la energía geotérmica que proviene del núcleo de la tierra
Diferenciación de Fuentes de Energía Convencionales - Fósiles/ Plantas Termoeléctricas (carbón, petróleo, gas) - Hídricas/Plantas Hidroeléctricas (Chile: mayores a 20 MW) Renovables No Convencionales - Eólica - Solar - Bioenergía - Geotermia - Mini hidráulica (Chile: Hasta20 MW) - Marina No Convencionales: Definición utilizada para diferenciarlas de la hidro de gran escala.
Energía Renovable en el Mundo Participación de las Renovables en el consumo global de energía -2011 Capacidad Instalada de Generación de Electricidad - 2012 (sin mini hidro) Fuente: REN21-2013
Energía Solar: aspectos generales La energía solar corresponde a la radiación que recibe la tierra proveniente del sol. Esta radiación está compuesta de luz y calor. La energía recibida en la superficie de la tierra se conoce como irradiancia, la cual varía según estación del año, hora del día y factores climáticos (nubes). Ventajas: Disponible en toda la superficie terrestre, aunque de menor intensidad hacia los polos. Es una fuente inagotable y sirve para generar electricidad o calor. Desventajas: No está disponible durante la noche. Presenta variaciones estacionales. Puede necesitar gran superficie de terreno.
Energía Solar: tecnologías Colectores solares: Permiten aprovechar la radiación solar en forma directa para calentar agua para uso sanitario o en aplicaciones industriales. CER Paneles fotovoltaicos: Permiten convertir la radiación solar directamente en electricidad, ya sea para aplicaciones domésticas, industriales o generación eléctrica en grandes escalas. CER Concentrador solar de potencia: Esta tecnología permite utilizar el calor para generar vapor, el cual impulse un generador eléctrico. CER
Energía Eólica: aspectos generales La energía eólica corresponde a la energía cinética contenida en el viento y considerada una forma secundaria de energía solar. La energía eólica es aprovechada mediante generadores eléctricos conectados a hélices, las que son impulsadas por el viento. También son utilizados en pequeñas escalas para generar energía mecánica. Ventajas: Es una fuente inagotable. Sirve para generar electricidad o movimiento. Escalable y puede emplazarse en todo tipo de relieve. Desventajas: Es una fuente muy variable y poco predecible. Cambios de intensidad y dirección. Ocupa grandes extensiones de terreno y afecta al paisaje.
Energía Eólica: tecnologías Eólica on-shore (emplazamientos en tierra): alcanzan potencias de 5 MW. El viento es mas inestable, pero la instalación es más económica. Eólica off-shore: (emplazamientos en el mar) existen prototipos de 11 MW. El viento es más estable en el océano, pero es más caro instalar estos equipos. CER NREL Pequeñas aplicaciones: Existen diversos tipos de aerogeneradores para aplicaciones de autoconsumo y de pequeña escala. NREL
Energía Mini Hidráulica: aspectos generales La energía hidráulica corresponde a la energía cinética contenida en el agua en movimiento, ya sea en un plano inclinado o una caída. Puede ser desarrollada a pequeña escala a partir de cauces naturales o asociados a obras de riego existentes (embalses o canales de riego). Ventajas: No requiere grandes espacios para instalaciones y no genera emisiones de ningún tipo. Es la tecnología más madura y conocida a la fecha. Desventajas: Presenta variaciones estacionales. Es un recurso disponible sólo en algunas zonas por lo que no se encuentra siempre en las cercanías de los centros de consumo.
Energía Mini Hidráulica: tecnologías Pequeñas centrales de pasada: Son centrales de generación de pequeño tamaño, que pueden operar con un cauce natural de agua. Micro centrales: Son aplicaciones de menor tamaño, que pueden ser usadas para proyectos alejados de la red eléctrica. Centrales portátiles: Son dispositivos de muy baja potencia, pero que no requieren una base fija y pueden ser fácilmente reinstalados.
Energía Geotérmica: aspectos generales La energía geotérmica corresponde al calor contenido en el interior de la tierra. Es la única fuente renovable que no depende del sol. La geotermia para generación eléctrica es viable a gran escala por el costo de las perforaciones, sin embargo las aplicaciones térmicas pueden ser de pequeña escala. Ventajas: No requiere grandes superficies para instalaciones. No depende del clima. Es una tecnología probada y conocida, tiene un alto factor de planta (horas equivalentes de operación a potencia nominal). Desventajas: Tiene un costo de inversión inicial alto y elevado riesgo por la incertidumbre de la perforación. Libera emisiones de gases a la atmósfera.
Energía Geotérmica: tecnologías Alta entalpía: Son centrales de generación que utilizan fuentes de vapor de alta temperatura (sobre 150 C) para mover directamente una turbina. Media entalpía: Centrales de generación eléctrica que usan temperaturas menores (100-150 C), pero vaporizan un fluido de trabajo. Baja entalpía: Son aplicaciones térmicas que aprovechan fuentes de agua de baja temperatura o el calor del subsuelo (temperatura menor a 100 C). CER
Energía Marina: aspectos generales La energía marina corresponde a la energía cinética, potencial o química contenida en el mar. Está contenida en el movimiento de sus mareas, olas, corrientes y gradientes de temperatura y salinidad. Ventajas: Esta presente en las costas de todo el mundo. Son proyectos escalables. Presenta un gran potencial. Desventajas: En general es de disponibilidad variable. Tecnología de alto costo y poca madurez. Compite por espacio con múltiples usos en línea de costa.
Energía Marina: tecnologías Undimotriz: Aprovecha la energía cinética del movimiento de las olas. Pueden estar situadas en línea de costa o mar adentro. Alta divergencia tecnológica. Permite aplicaciones mecánicas. Mareomotriz (Amplitud): Aprovecha el movimiento de las mareas, ya sea mediante embalses o captadores puntuales. Es la de mayor uso actual, pero menor potencial. Corrientes de Mareas y Oceánicas: Aprovecha el movimiento continuo de las corrientes de mareas y oceánicas y es predecible.
Bioenergía: aspectos generales Es la energía obtenida a partir de la materia orgánica de origen animal, vegetal, o de la transformación de la misma, ya sea mediante la combustión directa, o mediante su procesamiento para la generación de otro tipo de combustibles. La bioenergía puede utilizar diversas fuentes energéticas para diversos tipos de aplicaciones, siendo muy versátil. Ventajas: No requiere grandes superficies para instalaciones. Puede ser emplazada cerca de las fuentes de biomasa y/o de los centros de consumo. Desventajas: Requiere de cadenas de suministro que aseguren abastecimiento y sustentabilidad a largo plazo. Disponible sólo en algunas áreas determinadas.
Bioenergía: tecnologías Combustión Directa/Cogeneración: Consiste en la utilización de biomasa para generar calor y/o electricidad a partir de su combustión directa. Biogás: Consiste en la generación de gas a partir de procesos termoquímicos o bioquímicos, el cual puede ser luego utilizado como combustible para otros procesos. Biocombustibles: Consiste en la transformación de biomasa vegetal o animal en combustibles líquidos. CelanEenrgy
Bioenergía: combustibles Biomasa: leña, Pellet (Compactación de biomasa con reducido contenido de humedad), algunos residuos agrícolas y forestales. Bioetanol: Producto de la fermentación de azucares (maíz y remolacha). Biodiesel: Se produce a partir de alcholisis de grasas y aceites vegetales. Biogás: Combustión del metano producido a partir de la digestión anaeróbica de residuos vegetales, fecas animales y RSU (vertederos).
Tecnologías ERNC y sus aplicaciones Solar Eólica Hidro Biomasa Geotermia Marina Familias de tecnologías Solar fotovoltaica (PV) Concentración solar de potencia (CSP) Colectores Solares Térmicos Eólica on shore Eólica off shore Aplicación energética Eléctrica Térmica Mecánica x x x x Eólica baja potencia x x Mini hidráulica x x Micro hidráulica x x Combustión/Cogeneración x x Biogás x x Biocombustibles x x x Geotermia alta entalpía x x Geotermia mediana entalpía x x Geotermia baja entalpía x Undimotriz/Mareomotriz x x Gradiente Térmico x x Gradiente Salino x x x
Energías Renovables No Convencionales en Chile
Por qué Energías Renovables en Chile? Gran disponibilidad de recursos renovables. Altos costos de la energía en Chile presentan oportunidad de competir a las ERNC. Permite acceso a energía en zonas aisladas o fuera de la red eléctrica. Invertir en ERNC no sólo puede dar beneficios económicos, sino también sociales, aporta a la independencia energética y a la disminución de emisiones de gases de efecto invernadero como el CO 2.
Algunas Barreras para la penetración de las ERNC Variabilidad del recurso. Maduración tecnológica. Maduración de industria local y cadena de suministros. Desconocimiento y asimetría de la información. Alta inversión inicial y aversión al riego (a pesar de bajos costos de operación). Mecanismos de fomento, institucionalidad y regulación en etapas iniciales.
Relevancia de las ERNC Pilares Estrategia Nacional de Energía 2012-2030: 1. Crecimiento con Eficiencia Energética 2. Despegue de las ERNC 3. Mayor Preponderancia del Recurso Hídrico (Menor Dependencia Externa) 4. Nuevo Enfoque en Transmisión (Carretera Eléctrica Pública) 5. Mercado Eléctrico más Competitivo 6. Avance hacia la Interconexión Eléctrica Regional Licitaciones de Bloques de ERNC Despegue de las ERNC Plataforma Geo referenciada (Proyectos-Recursos-Infraestructura- Terrenos Fiscales-Zonas Protegidas- Demanda) Fomento y Financiamiento (Instrumentos de Cobertura-Seguros- Líneas de Crédito Internacionales- Estudios de Factibilidad) Fortalecimiento de la Institucionalidad
Participación ERNC en Sistemas Interconectados y Estrategias por Tecnología 20% 4,8% De Inyección Total 2012 7,2% De Inyección 2012 Afecta a Ley 20.257 10% 2024 Tecnologías Solar Bioenergía Geotermia Eólica Mini hidro Marina 2025 Colaboración Sector Público Sector Privado Investigadores Ciudadanía Algunas Líneas de Acción I+D+i Prospección del Recurso Instrumentos de Fomento Marco Regulatorio Acceso a Información
Capacidad Instalada y Proyectos en Desarrollo en Chile
Energía Inyectada a los Sistemas Interconectados (SING y SIC)
Proyectos ERNC: Tipos Etapa de Pre-Inversión y Ciclo de Vida
Ciclo de vida de un proyecto ERNC Preinversión Inversión Puesta en marcha, operación y cierre
Ejemplos de Instrumentos de apoyo según etapa Instrumento Institución Etapa que apoya Instrumento de preinversión Centro de Energías Renovables (CER) Preinversión Características Cofinanciamiento para estudios de preinversión para proyectos ERNC eléctricos conectados a red Innovación en ERNC INNOVA Inversión Cofinanciamiento para proyectos ERNC de autoabastecimiento en la industria asociados al modelo ESCO ERNC en la Agroindustria Fundación para la Innovación Agraria Inversión Cofinanciamiento para proyectos ERNC de autoabastecimiento en el sector silvoagropecuario Fomento a la inversión privada en obras de riego y drenaje. Comisión Nacional de Riego (CNR) Preinversión e Inversión Cofinanciamiento para proyectos de riego energizados con sistemas ERNC
Etapa de Preinversión Incertidumbre en las distintas etapas de preinversión
Barreras en la etapa de preinversión para proyectos de Autoconsumo Estudios de preinversión pueden tener un costo elevado, por lo que proyectos de energía renovables no siempre se consideran al momento de tomar una decisión de inversión y por desconocimiento compiten en desventaja con otras alternativas de inversión como la posibilidad de ampliar el negocio. Ampliar el negocio? O invertir en energía? Necesidad de herramientas que apoyen la toma de decisión, sobre todo en etapas preliminares. Experiencias locales para difundir la tecnología con casos exitosos.
Estudios de preinversión proyectos de Riego con ERNC Es el proceso que contempla desde la idea del proyecto hasta el término de todos los estudios. Al avanzar en el desarrollo del proyecto, los estudios se profundizan de acuerdo a las prioridades y el presupuesto de cada caso. Esta etapa termina con la decisión de invertir. Definir Requerimiento Prospección Ingeniería Conceptual Ingeniería Básica Caudal de riego Altura Manométrica Eficiencia de la motobomba Potencia demandada Energía demandada Estacionalidad de la demanda Costo actual o alternativo. Evaluación necesaria para la cuantificación del recurso energético disponible y características como su variabilidad. Ejemplos: Viento, radiación solar, caudales (microhidro). Prospección del terreno (pendiente, sombras, etc.. Estudios que permiten determinar viabilidad tecnológica y la evaluación preliminar del proyecto. Ejemplos: equipos principales, evaluación económica preliminar. Selección de Tecnología de ER. Definición de especificacion es de la solución seleccionada, así como evaluación económica más avanzada.
Autoconsumo y Aplicaciones de ERNC en la Agricultura
Beneficios de la incorporación de ERNC para Autoconsumo Reducción de consumo de combustible y electricidad, con el consiguiente ahorro de costo variable. El costo de la electricidad y de otros servicios se independiza de las alzas y volatilidad de los precio de los combustibles. El factor de emisión del ciclo de vida de un proyecto ERNC es mínimo, por lo que su incorporación permitiría reducir la Huella de Carbono, ayudando a mitigar el Cambio Climático.
Recomendaciones para Proyectos ERNC de Autoconsumo Realizar una buena evaluación del requerimiento energético. Partir por identificar e implementar oportunidades de reducción de consumos (Eficiencia energética). Establecer el tipo de demanda energética (Térmica, eléctrica o mecánica). Contar con fuentes fiables de determinación de la demanda (historial de demandas eléctricas y térmicas). Establecer, las variaciones, diarias y ciclos estacionales de las demandas.
Por qué ERNC en la Agricultura? Gran parte de la actividad se desarrolla en lugares con buenos recursos renovables para los que existen distintas tecnologías. La agricultura produce gran cantidad de productos y desechos orgánicos que pueden ser utilizados para generación eléctrica, térmica y mecánica. Por lo general se dispone de superficie suficiente para implementar los proyectos. Al ser una industria exportadora, el uso de ERNC puede aumentar la competitividad de sus productos en el extranjero al reducir su huella de carbono. Secador solar para fruta Residuos Agrícolas Bombeo eólico de agua
Secador solar o deshidratador, Mincha, IV Región Un secador solar es un equipo que utiliza la radiación solar para disminuir la humedad del producto o material a secar. Los secadores, al igual que los calentadores solares, utilizan el efecto invernadero como trampa de calor.
Bombeo Solar, Illapel, IV Region Una interesante aplicación de la energía solar es el bombeo de agua de pozos, especialmente interesante en comunidades rurales aisladas. Se opera con paneles fotovoltaicos que producen energía eléctrica utilizada para hacer funcionar una bomba que impulsa el agua por el sistema de riego del predio en cuestión.
Sistema solar térmico, Viña Gracia - Valle del Cachapoal Calienta un fluido (o agua) sólo con la energía proveniente del sol y éste puede aprovecharse para calentar líquidos (sistemas de agua caliente sanitaria) o bien para sistemas de climatizacion.
Biodigestores, varios sectores en Vilcún, IX Región Dispositivo en el cual se produce la fermentación de residuos orgánicos, por medio de bacterias especializadas de forma análoga a la digestión que se realiza en el estómago de los mamíferos. El producto de un Biodigestor es el Biogás o Gas Metano.
Bombeo eólico, Osorno y Curicó - Bombeo eólico a partir de energía mecánica, en donde no se requiere bomba eléctrica. - Bombeo a partir de energía eléctrica producida por un aerogenerador que alimenta una bomba.
Microhidro, Pallaco, VIII Región La generacion con centrales micro hidro presenta un enorme potencial en la agricultura chilena porque se cuenta con los canales y en muchos predio también existen caidas de agua. Centro de Energia, U. de Chile Centro de Energia, U. de Chile
Sistema de Bombeo Fotovoltaico
Radiación
Estacionalidad en la Demanda de la Energía Para maximizar ganancia de Energía con paneles FV: en el total anual en verano en invierno α α - 15 α + 15 α = latitud Si la demanda tiene una marcada estacionalidad se deberá aumentar o disminuir en aproximadamente 15 la inclinación de los paneles respecto a la latitud del emplazamiento. En el hemisferio sur, la orientación (azimut) debe ser al norte.
Configuración Sistema de Bombeo Fotovoltaico Sistema con Estanque Sistema Directo Componente Motobomba Características Tipo: Sumergible o Superficial. Corriente: CA (requiere Inversor). CC si cuenta con conmutador electrónico (no requiere inversor). Hay motobombas de frecuencia variable lo que permite operar con distintos niveles de radiación. Inversor Necesario para convertir la CC generada por los paneles fotovoltaicos en CA. Debe dimensionarse con una potencia no menor a la de los paneles fotovoltaicos. Es beneficioso que el Inversor (o la unidad de control) incorpore una unidad electrónica de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para que el panel opere a su máxima potencia. Unidad de Control Permite realizar seguimiento al estado del sistema, indica la potencia eléctrica entregada por los paneles, el estado del sensor contra la partida en seco en el pozo y el nivel de agua del estanque permitiendo encender y apagar el sistema. Panel Fotovoltaico Por lo general se utilizan de silicio monocristalino o silicio policristalino de diferentes potencias peak (P p, en Watts) requiriéndose una superficie entre 7 y 10 m 2 de paneles por kwp. En condiciones de operación la P p de los paneles se ve afectada especialmente por las mayores temperatura que alcanzan las celdas respecto a las condiciones de laboratorio donde se trabaja con 25 C de temp. de celda. Sistema de Seguimiento Permite a los paneles realizar seguimiento a la trayectoria solar de este a oeste, necesario si se quiere tener un caudal constante en sistemas de riego directo (sin estanque).
Dimensionamiento de Proyectos de Bombeo Fotovoltaico El volumen diario a bombear debe poder acumularse en el estanque durante las horas del día en que se cuenta con radiación global diaria(gd) en Watts horas/m 2 : Luego se debe determinar el caudal nominal (Q nom ) de cada mes calculando el cociente entre el volumen diario a almacenar y hsp calculado para un día de dicho mes:
Dimensionamiento de Proyectos de Bombeo Fotovoltaico Para determinar la potencia requerida: Obtener Q y H Revisar curva característica de bombas comercialmente disponibles y elegir entre las de mejor rendimiento para dichas condiciones. Método Simplificado (KW): η mb :eficiencia de motobomba(hidráulica más eléctrica) Q nom :caudal (lts/seg) H: altura manométrica (m.c.a). Si se desea estimar la potencia en HP el factor 102 debe ser reemplazado por 75. Debe utilizarse el máximo Q nom del año o el promedio de los 3 o 4 meses con mayor Q nom (para evitar sobredimensionar el sistema en meses de bajo Q nom ).
Eficiencia Equipos Pérdidas incurridas entre el generador solar y la motobomba (inversor, MPPT, unidad de control) Ƞ equipos = 0,8-0,95 Potencia Peak de los paneles corresponde a la alcanzada en condiciones de laboratorio, luego se debe aplicar un factor de corrección de potencia peak (FCP): FCP = 0,9-0,8 Superficie requerida por kwp: 7 9 m 2 monocristalino 8 11 m 2 policristalino
Riego Directo En un sistemas de riego con generador solar y sin estanque, el caudal de riego variará ya que dependerá directamente de la motobomba y por ende de la radiación disponible (instantánea). Esto dado que la intensidad de radiación incidente varía a lo largo del día, aumentando desde el amanecer para alcanzar su máximo a medio día cuando el sol está perpendicular sobre la superficie de paneles, comenzando luego a disminuir en el transcurso de la tarde (también inciden la nubosidad y condiciones climáticas). Luego si se quiere un caudal de riego constante, se debe usar un sistemas de seguimiento que permite al panel girar sobre su eje norte-sur. Los sistema de seguimiento además de permitir un caudal constante durante buena parte del día, pueden aumentar significativamente hsp y la ganancia anual de energía oscila entre un 25% y 35%. Puede evaluarse habilitar un estanque y aumentar la superficie de paneles para evitar la inversión en sistemas de seguimiento.
Factores a considerar en la Evaluación Económica Costos e Ingresos (ahorros) 1. Costos de Inversión y Mantención Sistema Fotovoltaico. 2. Ahorros asociados al desplazamiento de combustible o electricidad de la red según caso base. 3. Ahorros asociados al generador diesel al en los casos que se desplaza combustible combustible. Costos Inversión Sistema Fotovoltaico Costos Mantención Sistema Fotovoltaico (Muy bajo, básicamente limpieza) Evaluación Económica Ahorros Caso Base Diesel Costo y Transporte Combustible Mantención Generador Diesel Inversión Generador (Si no se tiene uno) Ahorros Caso Base Electricidad de la Red Costo kwh (Total factura incluyendo cobros por energía y potencia)
Costos Estimados de Sistema Fotovoltaico para Riego Fuente: CER Incluye instalación No incluye motobomba y otros propios de toda instalación de riego. SS: Sistema de Seguimiento. Estimación en base a distintas cotizaciones a 2012.
Ejemplo de período de retorno de la inversión al desplazar diesel Vida útil sistema FV: 20 años (puede ser mayor). Costo litro Diesel: $ 580 Tasa de descuento del 6%. Fuente: CER Hrs. anuales equivalentes mínimas para recuperar inversión en 20 años de vida útil con tasa del 6%.
Ejemplo de hrs. año de operación necesarias al desplazar electricidad La tabla indica las Hrs. equivalentes anuales mínimas de operación para recuperar inversión en 20 años de vida útil con tasa del 6% y un costo de electricidad (total de la factura)por kwh de $100 pesos (a modo de ejemplo). kwp 2-3 5-10 20-50 2-3 (SS) Hrs/Año 2.000 1.550 1.340 2.700 Fuente: CER
Ejemplos de sistemas de bombeo fotovoltaico
Proyecto Rauco
Proyecto Asociativo Licantén
Herramientas de Apoyo para el desarrollo de proyectos
Apoyo para el Desarrollo de Proyectos -Calculadoras (SST para ACS y FV) www.cer.gob.cl -Documentos con información tecnológica -Talleres RetScreen (software gratuito www.retscreen.net) - Acceso a Explorador Solar y Eólico del Ministerio de Energía - Directorio de Empresas de Energía Solar - Información de Fondos Concursales e Instrumentos de Apoyo a Nivel Regional
Gracias. Andrés Bauzá abauza@cer.gob.cl La Serena, Octubre 2013