4. Ejemplo de aplicación a un caso real Se expone a continuación un caso práctico que nos servirá para explicar mejor los resultados que ofrece el programa desarrollado y nos permitirá en el apartado siguiente, realizar un análisis de la influencia de algunos de los distintos parámetros en el resultado final. Para el desarrollo de este proyecto se ha optado por tomar un grupo de viviendas agrupadas en una misma comunidad de vecinos ubicada en la barriada de Santa Clara de Sevilla: Foto aérea de la ubicación. Fuente: google maps. Se trata de una urbanización radicada en Sevilla de la que se ha tomado a 24 familias, las cuales tienen contratos de electricidad con TUR con potencias eléctricas contratadas entre 4 y 5,5 kw. 4.1. Obtención de la curva de demanda eléctrica Ante la falta de datos reales obtenidos a través de la compañía comercializadora, se ha recurrido a definir diferentes perfiles de consumo tipo en función de la presencia o no de instalaciones como calefacción eléctrica, sistemas de agua caliente sanitaria eléctrica, vitrocerámica, etc. Se han tipificado los siguientes perfiles de consumo: Página 40 de 94
Familias tipo 1: Familias con 4 miembros donde el único suministro es el eléctrico pero cuentan con instalación de energía solar para agua caliente sanitaria (acs). Se han considerado 14 familias de este tipo. Familias tipo 2: Familias con 4 miembros con suministro de electricidad y de gas natural para calefacción, acs y cocina con o sin instalación solar térmica para acs. Se han considerado 8 familias de este tipo. Familia tipo 3: Familia con 4 miembros donde todo el consumo energético es eléctrico. Se han considerado 2 familias de este tipo. Como punto de partida, como ya se ha comentado anteriormente tenemos los datos de facturación: 1200 familias tipo 1 familias tipo 2 familias tipo 3 1000 800 600 400 200 0 ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Curva de consumo anual para las 3 tipologías de vivienda cogidas como referencia () En base a los patrones anteriores para invierno y verano, y teniendo en cuenta el valor del consumo mensual comentado anteriormente, se definen las curvas de demanda horaria para un año completo que será la que nos sirva de punto de partida para desarrollar este caso práctico. Página 41 de 94
70.000 30.000 60.000 25.000 50.000 40.000 30.000 20.000 20.000 15.000 10.000 10.000 5.000 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Curvas de carga de obtenida para un día de invierno (izquierda) y verano (derecha) en W La demanda anual obtenida es la que puede verse en el siguiente gráfico para un año completo: 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic ene 13.017 feb 10.934 mar 9.654 abr 6.948 may 6.179 jun 4.715 jul 3.012 ago 2.963 Página 42 de 94
sep 3.278 oct 4.200 nov 5.966 dic 8.308 79.174 Curva de demanda anual de referencia () 4.2. Definición de la instalación propuesta Emplazamiento Emplazamiento del proyecto: Sevilla Horas al año sin cubrir la demanda: 0 Se han tomado los datos de radiación de la Agencia Andaluza de la Energía para estación más próxima el lugar del ejemplo, concretamente la estación de La Rinconada. Instalación fotovoltaica: Orientación: 15º este Inclinación: 35º Vida útil de la instalación (años): 20 Coste de la instalación fotovoltaica ( /Wp): 1,7 prr=1 Baterías de acumulación: Vida útil esperada de las baterías (años): 5 Coste unitario ( /): 183 Página 43 de 94
Rendimiento del proceso de carga descarga (%): 80 K1=20% K2=40% Motor de motor de cogeneración: Rendimiento eléctrico del motor (%): 33 X=40% Temperatura del caudal de agua de refrigeración (ºC): 78 Caudal del circuito de agua de refrigeración (l/m):63 Coste asociado al mantenimiento del motor ( /): 0,05 Coste estimado de la inversión ( /kw): 1,6 Vida útil del motor (años): 10 Combustible: gas natural Datos económicos: Precio medio de la electricidad según suministro actual, incluyendo término de energía, término de potencia, impuestos, alquiler de equipos contadores de energía e IVA ( /): 0,21 Precio del combustible del motor de cogeneración ( /): 0,06 Tasa de interés a la que se financia la inversión (%): 7 Inversión complementaria para instalaciones y sistemas de control: 15.383 Página 44 de 94
Los datos obtenidos de la optimización que nos hace mínimo el coste de explotación de la instalación son los siguientes: Potencia de la instalación fotovoltaica: 56,6 kwp Potencia del motor de cogeneración: 11,4 kw Capacidad de las baterías: 200.000 4.3. Análisis energético Una vez definida la instalación en el capítulo anterior, procedemos ahora a realizar el análisis de su comportamiento desde el punto de vista energético. Para ilustrar cuál sería el resultado de la programación hecha, representamos 4 días tipo indicando hora a hora cuál sería la aportación de cada una de las fuentes: 40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 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 Baterías No cubierta FV autoconsumida Aportación cogeneracion FV autoconsumida FV acumulado cogeneración no cubierta 311,41 123,77 187,64 0,00 0,00 100% 40% 60% 0% 0% Simulación del comportamiento de la instalación para el día 21 marzo () Página 45 de 94
30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 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 Baterías No cubierta FV autoconsumida Aportación cogeneracion FV autoconsumida FV acumulado cogeneración no cubierta 157,16 86,57 70,59 0,00 0,00 100% 55% 45% 0% 0% Simulación del comportamiento de la instalación para el día 21 junio () 20.000 18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 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 Baterías No cubierta FV autoconsumida Aportación cogeneracion FV autoconsumida FV acumulado cogeneración no cubierta 109,28 68,30 40,98 0,00 0,00 Página 46 de 94
100% 63% 37% 0% 0% Simulación del comportamiento de la instalación para el día 21 septiembre () 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 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 Baterías No cubierta FV autoconsumida Aportación cogeneracion FV autoconsumida FV acumulado cogeneración no cubierta 268,02 66,02 160,48 41,52 0,00 100% 25% 60% 15% 0% Simulación del comportamiento de la instalación para el día 21 diciembre () El balance anual mes a mes de la instalación arroja el siguiente resultado: Página 47 de 94
20.000 18.000 16.000 14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic FV instantáneo FV baterías Cogeneración FV no aprovechado No cubierto Balance energético anual de la instalación Página 48 de 94
PARA AUTOCONSUMO ELÉCTRICO EN EDIFICIOS AISLADOS DE LA RED Instalación fotovoltica Instalación de cogeneración Energía generada Consumo instantáneo No aprovechado Consumido de baterías Consumo de gas natural Energía eléctrica producida Consumo instantáneo Consumido de baterías no cubierta ene 13.017 6.201 3.697 0 2.254 17.618 5.814 2.658 4.403 0 feb 10.934 7.625 3.766 0 3.473 9.811 3.238 1.035 2.660 0 mar 9.654 9.507 3.692 29 5.187 2.280 752 211 564 0 abr 6.948 10.382 2.884 3.543 4.063 0 0 0 0 0 may 6.179 11.156 2.960 5.282 3.219 0 0 0 0 0 jun 4.715 11.561 2.593 6.765 2.122 0 0 0 0 0 jul 3.012 12.139 1.884 9.564 1.128 0 0 0 0 0 ago 2.963 11.929 1.807 8.940 1.156 0 0 0 0 0 sep 3.278 10.076 2.059 7.168 1.220 0 0 0 0 0 oct 4.200 8.261 2.441 4.411 1.759 0 0 0 0 0 nov 5.966 6.634 1.800 712 4.000 242 80 1 165 0 dic 8.308 5.133 2.161 0 2.736 9.638 3.181 1.041 2.370 0 TOTAL 79.174 110.605 31.744 46.415 32.317 39.589 13.064 4.946 10.162 0 Balance energético de la instalación Página 49 de 94
Otra forma de evaluar el comportamiento de la instalación propuesta en este ejemplo es ver la aportación de las dos fuentes de energía para cubrir la cobertura anual: 15.107,5 19% Total origen FV 64.061,6 81% Total origen cogeneración Contribución de cada una de las fuentes de energía a la cobertura de la demanda Funcionamiento del motor de cogeneración: Hacemos ahora una necesaria referencia a las condiciones de funcionamiento del motor de cogeneración, de cara a justificar el posible aprovechamiento de la energía térmica recuperable. El motor de cogeneración a instalar, será un equipo totalmente comercial que ha sido especialmente desarrollado para funcionar de forma encapsulada y optimizado fuera de entornos industriales con bajo mantenimiento: Página 50 de 94
Esquema de funcionamiento de la central de microcogeneración. Fuente: Ahorro y eficiencia energética en los edificios mediante microcogeneración de David Arzoz del Val Se ha encontrado un motor comercial desarrollado por la compañía Himoinsa y cuyo fabricante es Yanmar que se adapta bastante a las condiciones impuestas al motor que hemos dimensionado en este ejemplo: Potencia eléctrica: 10 kw Potencia térmica: 17,3 kw Temperatura de salida del agua 78 ºC Caudal 48 l/min La energía recuperable, será en la medida de lo posible, reutilizada para la preparación de acs. Mostramos a continuación la gestión a realizar sobre la energía térmica proveniente del motor de cogeneración: Página 51 de 94
PARA AUTOCONSUMO ELÉCTRICO EN EDIFICIOS AISLADOS DE LA RED Consumo de gas natural Horas de funcionamient o h Horas día media Energía eléctrica producida Consumo instantáneo Consumido de baterías Energía térmica disponible Energía térmica aprovechad a Energía térmica no aprovechad a ene 17.618 510 16 5.814 2.658 4.403 7.558 3.895 3.663 feb 9.811 284 10 3.238 1.035 2.660 4.209 2.995 1.214 mar 2.280 66 2 752 211 564 978 978 0 abr 0 0 0 0 0 0 0 0 0 may 0 0 0 0 0 0 0 0 0 jun 0 0 0 0 0 0 0 0 0 jul 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ago 0 0 0 0 0 0 0 0 0 sep 0 0 0 0 0 0 0 0 0 oct 0 0 0 0 0 0 0 0 0 nov 242 7 0 80 1 165 104 104 0 dic 9.638 279 9 3.181 1.041 2.370 4.135 3.210 924 TOTAL 39.589 1.146 3 13.064 4.946 10.162 16.984 11.182 5.802 Balance energético del funcionamiento del motor de cogeneración Página 52 de 94
Para el cuadro anterior se ha tenido en cuenta la siguiente: Energía recuperable para ACS: se ha considerado una media de 50 l/persona dia para las viviendas del estudio considerando lo siguiente: Familias tipo 1: instalación de energía solar para agua caliente sanitaria (acs): la instalación de cogeneración podrá dar el 30% de la demanda que suponemos no será cubierta con la instalación solar Familias tipo 2: caldera de gas natural para calefacción y acs: la cogeneración podrá dar hasta el 100 % de la demanda. Familia tipo 3: todo eléctrico: La cogeneración puede aportar el 100% de la demanda Con estas premisas se ha obtenido que la energía recuperable para acs es de 9.7313. Esta energía recuperada evitará el funcionamiento de las calderas de calefacción en algunos casos y de resistencias eléctricas en otros (concretamente se ha calculado que el 45% sustituye a consumo de eléctrico y el 45% a calderas murales de gas natural con un rendimiento del 45%) Así mismo se ha considerado que de la energía sobrante, se podrá recuperar en torno a un 20% para calefacción, lo que supondrían 1.450 que no serán producidos por las calderas de calefacción de gas natural con un rendimiento medio estacional estimado del 45%. El porcentaje utilizado se ha calculado a partir de los consumos reales para calefacción de las 3 viviendas que actualmente disponen de calefacción centralizada por radiadores. Con estas hipótesis de trabajo habrá una cantidad de energía igual a 5.802 que no podrá ser reaprovechada. Esta circunstancia sería muy distinta si las viviendas objeto del estudio estuvieran equipadas para calefacción centralizada por suelo radiante o radiadores, en ese caso el aprovechamiento sería total. Página 53 de 94
5.802 34% 1.450 9% 9.731 57% recuperado para acs recuperado para calefacción no recuperable Aprovechamiento de la energía térmica recuperable del motor de cogeneración () 4.4. Análisis económico Analizamos a continuación el análisis de los costes de explotación de la instalación en las condiciones descritas: 1. Amortización de la inversión: La inversión a realizar se descompone en los siguientes apartados. Módulos fotovoltaicos e inversores: Se trata de una instalación de 56,6 kwp cuyo coste se calcula estimando un precio de 1,7 /Wp, lo que nos da una inversión total de 96.220. Suponiendo que la amortización de esta inversión se produce durante 20 años, incluyendo en este concepto módulos fotovoltaicos, inversores, estructura para su colocación e instalación eléctrica, obtenemos que el coste de amortización de la siguiente manera: Número de años: 20 Interés del dinero al que se financia la inversión: 7% Página 54 de 94
Inversión a amortizar: 96.220 Cantidad amortizada anualmente: 9.083 Motor de cogeneración: Procedemos igualmente a calcular la amortización anual del motor de cogeneración, siendo en este caso la inversión a amortizar de 18.240 obtenida suponiendo el ratio de 1,6 /W para calcular la inversión. En este caso se ha supuesto que la vida útil del motor es de 10 años por lo que: Número de años: 10 Interés del dinero al se financia la inversión: 7% Inversión a amortizar: 18.240 Cantidad amortizada anualmente: 7.289,7 Baterías: Para la amortización de las baterías, se ha tomado un precio de referencia de 162 para una batería de 442 Ah de 2 V. Se ha tomado una vida útil de las baterías de 5 años: Número de años: 5 Interés del dinero al que se financia la inversión: 7% Inversión a amortizar: (40.697 VAh/2V/442Ah/batería) 162 /batería=36.652 Cantidad amortizada anualmente: 8.939 Obra civil, instalaciones y control: Además se ha considerado una inversión adicional destinada a la parte correspondiente a instalaciones de transporte de energía (electricidad y circuitos de agua), acumulación (acumuladores de agua caliente para acs), control y gestión de la instalación, etc. Dicha partida se ha estimado Página 55 de 94
considerando un 15% adicional a la inversión en los conceptos anteriores. En total esta partida se cifra en 22.667. La amortización de esta inversión se calcula de la siguiente forma: Número de años: 20 Interés del dinero al que se financia la inversión: 7% Inversión a amortizar: 22.667 Cantidad amortizada anualmente: 2.140 Total amortización anual: 22.758 /año 2. Mantenimiento del motor de cogeneración Según recomendaciones del fabricante se ha tomado un coste de mantenimiento del motor de cogeneración de 0,07 por cada generado. Entendemos que el resto de la instalación no supone un sobrecoste en el mantenimiento actual que tenga previsto la propiedad de la instalación. Habrá que computar por tanto un coste anual de mantenimiento de 915. 3. Ahorros provocados por el aprovechamiento de la energía térmica recuperada En primer lugar se ha estimado la demanda de energía para la preparación de acs a 50 ºC tomando una temperatura media del agua de red de 12 ºC. También se ha considerado que el consumo de agua por persona y día es de 50 l. Se ha tenido en cuenta que parte de la energía recuperada sustituye a energía eléctrica que calienta agua por medio de resistencias (rendimiento de la transformación igual a 100%) y otra parte sustituye a calderas muras de gas natural y propano (rendimiento de la transformación estimado del 45%). Página 56 de 94
Tomando los precios unitarios de electricidad, gas natural y propano, y realizando un reparto estimado por fuentes de energía, se calcula que el coste evitado con la energía térmica recuperada es de 1.875. Se ha valorado la energía térmica recuperada para colección al precio de 192. Con estas hipótesis, el ahorro total obtenido por el aprovechamiento de la energía térmica es de 2.068 /año. 4. Coste del suministro térmico Como se ha explicado, el motor de cogeneración consumirá 39.589 /año, lo cual supondrá el siguiente coste: Término fijo: 0,282082 /día 365 día = 103 Término de energía: 0,05079 / 39.589 = 2.011 IVA (21 %): 444 Total: 2.558 Lo que supone un coste unitario de 0,0646 / En resumen, el coste anual de la instalación planteada para cubrir el 100% de las necesidades eléctricas es de 23.980 /año. Página 57 de 94