¿Cómo desarrollar proyectos de energía solar? Ing. Arcenio Torres A. Ing. Santiago Carrillo
Temario Sección 1: Sistemas Fotovoltaicos – Una Oportunidad 1. 2. 3. 4. 5.
Sostenibilidad Proyección de matriz energética mundial Estrategias de mitigación en energía para un desarrollo sostenible Compromiso de Colombia Ajuste al Marco Regulatorio
Sección 2: Sistema Solar- Dimensionamiento 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Sistema Solar Fotovoltaico Recurso solar. Componentes de una instalación solar fotovoltaica. Metodología de dimensionamiento de sistemas solares. Análisis económico Ejemplo
PRIMERA PARTE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS UNA OPORTUNIDAD
¿Qué es Energía Sostenible? “ La armonía dinámica entre la disponibilidad y acceso equitativo a los bienes y servicios intensivos en el uso de energía para todas las personas y la preservación de la tierra y el medio ambiente para las generaciones futuras”
Social Tolerable
Sostenible Equitativo
Ambiental
Económico Viable
Definition from: Tester, Drake, Driscol et al. Sustainable Energy, 2nd Edition, 2012.
Proyección Matriz energética por fuente Composición de la matriz de capacidad generación de electricidad mundial en porcentajes
Estrategias de Mitigación de impactos ambientales de la energía a escala local, regional y global
NetZero Energía Sostenible
CCS
Source: IEA, 2012
ÂżCompromiso de Colombia reducir las emisiones de CO2? ContribuciĂłn Prevista Determinada a Nivel Nacional ( iNDC )
Fuente: iNDC de Colombia
Mitigación de impactos ambientales de la energía a escala local, regional y global Opciones para reducir y mitigar las emisiones de CO2 provenientes de la quema de combustibles fósiles en la atmosfera
MITIGACIÓN
Geoingeniería
Eficiencia Energética
REDUCCIÓN
Política pública
Cambio de combustibles
Captura (CCS)
Generación
Menor tasa C/H
Secuestro de Carbono
Demanda
Nuclear
Conversión / Uso
REMOCIÓN
Fertilización oceánica
Renovables
Adapted from: Tester, Drake, Driscol et al. Sustainable Energy, 2nd Edition, 2012.
Secuestro biológico
-Reforestación -Infraestructura verde
Ley 1715 de 2014 Por medio de la cual se regula la integración de las Fuentes de Energías Renovables No Convencionales (FNCER) al sistema energético nacional y la eficiencia energética de acuerdo con el modelo de desarrollo del sector Decreto 2469 de 2014 Ministerio de Minas y Energía
Por el cual se establecen los lineamientos de política energética en materia de entrega de excedentes de autogeneración
Resolucion 024 de 2015 Comisión de Regulación de Energía y Gas Natural
Por la cual se regula la actividad de autogeneración a gran escala en el Sistema Interconectado Nacional (SIN).
Decreto 348 de 2017 Ministerio de Minas y Energía
Por el cual se adiciona el Decreto 1073 de 2015, el establecimiento de los lineamientos de política pública en materia de gestión eficiente de la energía y entrega de excedentes de autogeneración a pequeña escala
Resolucion 030 de 2018 Comisión de Regulación de Energía y Gas Natural
Por la cual se regulan las actividades de autogeneración a pequeña escala y de generación distribuida en el Sistema Interconectado Nacional
Resolucion 0281 de 2015 Unidad de Planeación Minero Energética
Por la cual se define que el límite máximo de potencia de la autogeneración a pequeña escala será de 1 MW.
Decreto 2492 de 2014 Ministerio de Minas y Energía
Por el cual se adoptan disposiciones en materia de implementación de mecanismos de respuesta de la demanda
Resolucion 011 de 2015 Comisión de Regulación de Energía y Gas Natural
Por la cual se regula el programa de respuesta de la demanda para el mercado diario en condición crítica.
Decreto 2143 de 2015 Ministerio de Minas y Energía
Se adiciona el Decreto Único Reglamentario del Sector Administrativo de Minas y Energía, 1073 de 2015, en lo relacionado con la definición de los lineamientos para la aplicación de los incentivos a la inversión en proyectos FNCER
Resolucion 1283 de 2016 Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible
Por la cual se establece el procedimiento y requisitos para la expedición de la certificación de beneficio ambiental por nuevas inversiones en proyectos FNCER y gestión eficiente de la energía, para obtener los beneficios tributarios
Decreto 1543 de 2017 Ministerio de Minas y Energía
Por la cual se reglamenta el Fondo de Energías No Convencionales y Gestión Eficiente de la Energía, FENOGE
Decreto 1623 de 2015 Ministerio de Minas y Energía
Por el cual se modifica y adiciona el Decreto 1073 de 2015, en lo que respecta al establecimiento de los lineamientos de política para la expansión de la cobertura del servicio de energía eléctrica en el Sistema Interconectado Nacional y en las Zonas No Interconectadas
Resolucion 1312 de 2016 Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible
Adopción de los términos de referencia para la elaboración del Estudio de Impacto Ambiental –EIA requerido para el tramite de la licencia ambiental de proyectos eólicos
Incentivos tributarios
1. Deducción impuesto de renta
Certificaciones necesarias
2. Depreciación acelerada
Certificado de beneficio ambiental (MADS)
3. Exclusión del IVA
Exención gravamen arancelario
Certificación aval FNCE (MME UPME) Certificación ANLA Licencia VUCE Comité importaciones MCIT
PROYECTOS DE GENERACIÓN PROCEDIMIENTO ANTE LA UPME* Registro del proyecto ante la UPME Presentar solicitud junto con la propuesta de proyecto en los formatos y anexos UPME 15 días para evaluar. Puede solicitar información y suspende términos. Solicitante tienen 15 días (con 15 días adicionales de prorroga) para complementar Recibida la información continua evaluación (15 días) y se pronuncia
*Resolución UPME 045 DE 2016 – Por la cual se establecen los procedimientos y requisitos para la emitir la certificación y avalar los proyectos de fuentes no convencionales de energía renovable (FNCE), con miras a obtener el beneficio de la exclusión del IVA y la exención de gravamen arancelario de que tratan los artículos 12 y 13 de la Ley 1715 de 2014, y se toman otras determinaciones.
PROYECTOS DE GENERACIÓN PROCEDIMIENTO ANTE LA ANLA*
Presentar solicitud junto con la propuesta de proyecto en los formatos y anexos (incluyendo el certificado de la UPME) Dentro de los 5 días hábiles se expide el acto que da inicio al tramite. Diez días hábiles evaluará la información; podrá requerir información adicional. Solicitante tienen 1 mes para complementar. Se puede prorrogar 15 días hábiles adicionales. A partir de la recepción de la información adicional, la ANLA contará con 25 días adicionales para dar respuesta a la solicitud. *Resolución 1283 de 2016 – Por la cual se establece el procedimiento y requisitos para la expedición de la certificación de beneficio ambiental por nuevas inversiones en proyectos de fuentes no convencionales de energía renovable – FNCER y gestión eficiente de la energía, para obtener los beneficios tributarios de que tratan los artículos 11, 12, 13 y 14 de la Ley 1715 de 2014.
SEGUNDA PARTE
Sistema Solar- dimensionamiento
Sistema Solar Fotovoltaico Es aquel que transforma la irradiación solar en energía eléctrica, utilizando las propiedades de ciertos de materiales semiconductores.
Caso de estudio USAENE: Proyecto NetZero en Heron Bay Coral Springs, Florida
Recurso Solar El Sol • Es un cuerpo gaseoso compuesto mayormente por hidrogeno , algo de helio y algunos elementos pesados. • Fusiona hidrogeno en helio en su núcleo, y la energía resultante es irradiada hacia el exterior.
149,668,992 km o 93,000,000 millas La radiación solar toma 8.3 min en viajar del sol a la tierra
Potencial de energía solar a nivel de la tierra 170 millones GW
Parámetros Básicos Irradiancia solar: Es una medida de la potencia solar por unidad de área. [W/m2]
Irradiancia solar (W/m2)
Irradiación solar: Es la energía solar acumulada sobre un área en un intervalo de tiempo determinado (Hora, día, mes o año). [Wh/m2]
La irradiación solar es igual al área bajo la curva de Irradiancia Amanecer
Medio día
Anochecer
Tipos de Radiaci贸n Radiaci贸n absorbida Radiaci贸n Difusa
Albedo
Tierra Radiaci贸n directa
Producciรณn solar real
Importancia de la Posiciรณn Solar
Diagramas de trayectoria solar
Diagrama en coordenadas cartesianas
Tipos instalaciones fotovoltaicas
Elementos y ConfiguraciĂłn sistema independiente Modulo PV Inversor DC a AC
Panel de servicio Controlador de carga
BaterĂa
Configuración sistema bimodal conectado con la red Medidor de energía
Modulo PV
Red eléctrica
Inversor DC a AC
Controlador de carga
Panel de servicio
Batería
Panel de servicio cargas criticas
Configuración sistema interactivo con la red Medidor de energía
Modulo PV
Red eléctrica
Inversor DC a AC
Controlador de carga
Panel de servicio
Batería
X
Panel de servicio cargas criticas
Fuente: NREL - U.S. Photovoltaic Prices and Cost Breakdowns: Q1 2015
Costos de instalaciรณn Paneles solares 120W+ precio minorista
Alto
Bajo
Todas las marcas
2.760
0.580
0.697
Modulo Policristalino
1.020
0.580
0.627
Modulo Monocristalino
1.426
0.680
0.736
Trina
1.090
0.745
0.810
Canadian
1.370
0.650
0.709
Jinko
0.930
0.630
0.672
Panasonic
1.300
1.091
1.116
REC
0.680
0.660
0.663
Sharp
1.260
1.160
1.173
LG
1.640
0.900
1.002
Hanwha
0.986
0.870
Samsung
1.550
Hyundai BenQ
Promedio
Precio spot semana mรณdulos solares
Alto
Bajo
Promedio
Modulo solar de silicio Policristalino
0.41
0.24
0.266
Modulo solar Policristalino de alta eficiencia PERC
0.45
0.27
0.321
Modulo solar Monocristalino de alta eficiencia PERC
0.54
0.3
0.346
Modulo solar Thinfilm
0.42
0.26
0.296
Inversores interactivos con la red, precio minorista
Alto
Bajo
Todas las marcas
0.900
0.018
0.101
0.880
1-Fase
0.869
0.180
0.231
1.170
1.211
3-Fases
0.376
0.018
0.058
1.160
1.150
1.151
SMA
0.623
0.133
0.195
2.640
1.000
1.107
Fronius
0.900
0.187
0.243
Precios spot libres de impuestos en US$/Wp. Tomado de http://pvinsights.com/RetailerPrice.php
Promedio
Metodologías de dimensionamiento Cuando se esta describiendo un sistema fotovoltaico, es lógico seguir el flujo de energía desde el sistema hasta las cargas. Sin embargo, cuando se dimensiona un sistema fotovoltaico, es necesario considerar la demanda de energía antes que el suministro de energía. Por lo tanto, el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos, especialmente el de sistemas independientes, empieza en el lado de la demanda y termina en la instalación. Flujo de energía
Modulo
Controlador de carga
Batería
Inversor
Estrategia de dimensionamiento
Demanda
Dimensionamiento sistemas interactivos
El sistema solar junto con la red satisfacen la demanda de energĂa
El sistema solar satisface suficiente energĂa para satisfacer la demanda y proporcionar excedentes a la red.
Dimensionamiento sistemas independientes Los sistemas independientes son diseñados para energizar cargas específicas, por lo tanto el dimensionamiento de estos sistemas es proporcional al requerimiento de energía. • Si el sistema es muy pequeño, existirán pérdidas en la disponibilidad de la carga y confiabilidad del sistema.
• Si el sistema es muy grande, existirá exceso de energía que se desperdiciará. • Debe existir un balance entre energía generada por el sistema solar y la energía requerida.
Cálculos de dimensionamiento Se requieren procedimientos de cálculo para el dimensionamiento de sistemas independientes 1. 2. 3. 4. 5.
Análisis de la demanda energética. Análisis del mes crítico. Condiciones del sitio Dimensionamiento del sistema de baterías. Dimensionamiento de la instalación solar
Análisis de la demanda Es la etapa más importante en el dimensionamiento. El consumo de energía determina la cantidad de energía que debe ser producida. Todas las fuentes de consumo, presentes y futuras deben ser consideradas. Dos opciones: 1. Medir la carga
2. Hacer un análisis de las cargas principales (Potencia, duración, importancia)
Sistema de Monitoreo
Análisis de la demanda Cargas AC
Descripción de carga Nevera/refrigerador Microondas Tostadora Cafetera Lavadora Centro de entretenimiento Sistema de computo Enchufes Bomba de agua Ventiladores Iluminación fluorecente Iluminación fluorecente
Cantid ad 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 4 4
Mes: Enero Tiempo de Consumo de Consumo de Potencia en Potencia total operación energía AC energía DC placa (W) (W) (hr/día) (Wh/día) (Wh/día) 200 200 10 2000 2222 1200 1200 0.5 600 667 1000 1000 0.05 50 56 600 600 0.25 150 167 800 800 0.29 232 258 200 200 3 600 667 100 100 2 200 222 200 200 1 200 222 800 800 0.33 264 293 50 100 24 2400 2667 15 60 6 360 400 32 128 4 512 569
Potencia requerida en AC Potencia requerida en DC Consumo diario total de energía en AC Consumo diario total de energía en DC Eficiencia del inversor Tiempo de operación ponderado Consumo de energia promedio en DC
Top1 22222 333 3 42 75 2000 444 222 97 64000 2400 2276
5388 W 0W 7568 Wh/día 0 Wh/día 0.9 11.2 Hr/día 8409 Wh/día
Top: Tiempo de operación ponderado, es una medida del tiempo de operación promedio de la instalación. Es un valor útil para el dimensionamiento del sistema de baterías.
Análisis del mes critico Mes
Energía promedio diaria en DC consumida (Wh/día)
Irradiación diaria (kWh/m2/día)
Tasa de diseño
Tiempo de operación ponderado
Enero
5964
4.6
1297
4.94
Febrero
6298
5.4
1166
6.10
Marzo
6631
6.3
1053
6.69
Abril
7298
7.3
1000
7.96
Mayo
7964
7.7
1034
9.36
Junio
8631
7.8
1107
10.85
Julio
8853
7.4
1196
11.73
Agosto
8409
7.2
1168
11.19
Septiembre
8187
6.6
1240
10.25
Octubre
7964
5.9
1350
9.36
Noviembre
7742
4.8
1613
8.54
Diciembre
7520
4.3
1749
7.79
Mes crítico
1749
Mes crítico
Diciembre
Consumo promedio diario en DC
Irradiación mes crítico Tiempo de operación ponderado
7520 Wh/día
4.3 kWh/m2/día 7.79 hr
Condiciones del sitio • Condiciones Ambientales • • • •
Temperatura Velocidad del viento Humedad Riesgos Naturales ( sismicidad, huracanes)
• Código de Construcción • Código y condiciones de Interconexión • Permisos y tramites necesarios
Dimensionamiento de baterías De acuerdo a la energía requerida durante el mes critico, se puede dimensionar el banco de baterías. El diseñador deberá tomar decisiones respecto a:
• Voltaje del sistema: Voltaje al cual se van a alimentar las cargas del sistema. • Autonomía: La cantidad de tiempo que las baterías serán capaces de satisfacer la demanda de no contar con disponibilidad del sistema solar • Profundidad de descarga de las baterías: para determinar los ciclos de descarga y la vida útil de la batería
Dimensionamiento de baterías Consumo diario promedio en DC del mes critico Voltage nominal DC del sistema Autonomía Salida de potencia requerida al banco de baterías
Profundidad de descarga permitida
7520Wh/día 48VDC 3dias 470Ah
0.8 7.79hr
Tiempo de operación ponderado Tasa de descarga Temperatura mínima de operación Derrateo de descarga por temperatura Capacidad del banco de baterías Voltaje nominal banco de baterías Capacidad seleccionada del banco de baterías
29.20 hr
0 0.9
652. 77Ah 12VDC 295Ah
Numero de baterías en serie
4
Numero de baterías en paralelo Total de baterías
3 12
Capacidad real banco de baterías
°c
885 Ah
Fracción de carga
0.75
Profundidad de descarga promedio diaria
0.13
Dimensionamiento sistema solar • Por último, el sistema solar debe estar en la capacidad de suministrar la energía suficiente para satisfacer la demanda y cargar las baterías durante el mes crítico en el caso de los sistemas con este elemento. • Para esto se requiere el voltaje del sistema de baterías y la corriente necesaria para la carga del mismo. • Con esta información se podrá determinar la cantidad de paneles en serie y paralelo necesaria para el sistema solar.
Dimensionamiento del sistema solar Disposición consumo diario promedio en DC del mes critico
Voltaje nominal DC-del sistema Irradiación mes critico
7520Wh/día 48VDC 4.3kWh/m2/día
Eficiencia de carga del sistema de baterías
0.85
Potencia máxima requerida al sistema solar
42.86A
Derrateo por suciedad Maxima corriente del sistema solar
Coeficiente de perdidas de voltaje por temperatura (/°C) Temperatura ambiente maxima Temperatura a STC Maximo voltaje requerido por el sistema
Corriente en el maximo punto de potencia del modulo Voltaje en el maximo punto de potencia del modulo
Maxima potencia del modulo Modulos en serie Lineas en paralelo Total modulos
Potencia total del sistema
0.95 45.12 A /°C -0.40% 50 °C 25 °C 63.36VDC
5.11
A
VDC 36.2 185 W 2 9 18 3.33kW
Análisis económico El flujo de caja de una inversión solar esta compuesto por los siguientes ítems: Costos de Inversión Ítem
Ingresos anuales
Valores anuales
INV 1
Estudios
Costo de los estudios
INV2
Permisos
Costos de trámites de permisos
Inv 3
EPC
Costo de equipos, montaje, puesta en operación
INV T
Inversión Total
INV 1 + INV 2 + INV 3
Gastos operativos anuales Ítem
Ingresos anuales
Valores anuales
O1
Operación y mantenimiento
kWh producidos por gastos en mantenimiento $/kWh mas fondo anual de reserva (Si aplica)
O2
Seguros
Cargos anuales en seguros
O3
Pagos al titular del leasing
Pagos tal ves basados en un porcentaje de los ingresos
O4
Administrativo/Financiero/legal
Cargos administrativos generales
O5
Otros gastos (Transmisión)
kWh producidos por el cargo de transmisión (Si aplica)
OR
Gastos operativos totales
O1+O2+O3+O4+O5
Análisis económico Ítem
Ingresos Ingresos anuales
Valores anuales
A1
Ingresos por la venta de electricidad
kWh producidos por la tarifa $/kWh
A2
Ingresos por créditos en impuestos por producción de energía renovable
kWh multiplicados por créditos en impuesto $/kWh
A3
Ingresos por créditos en energía renovable.
kWh producido por créditos renovables $/kWh
AR
Ingreso total
A1+A2+A3
Depreciación anual e intereses Ítem
Ingresos anuales
Valores anuales
D1
Depreciación
Inversión total por la tasa anual de depreciación
D2
Intereses
Intereses generados por el préstamo
DR
Total depreciación e intereses
D1+D2
TR
Ingresos totales sujetos a impuestos
AR-(OR+DR)
TI
Impuestos
TR*Tasa de impuestos
IN
Ingresos Netos
AR-(OR+DR+TI)
FCDI
Flujo de caja después de impuestos
IN+D1-pago principal de la deuda
De esta manera se puede generar un flujo de caja para un proyecto solar para determinar su viabilidad económica de acuerdo al valor presente, la TIR o LCOE
Ejemplo Evaluaciรณn Financiera
Enunciado • Una industria en Bogotá D.C, esta interesada en suplir parte o la totalidad de la energía que consume con un sistema de energía solar fotovoltaica. El punto donde se instalar el sistema fotovoltaico se encuentra en las coordenadas: 4.76°N y 74.11°O.
• Esta industria tiene un consumo anual de 135,000kWh, y desea conocer el sistema solar adecuado para satisfacer su consumo energético.
Características físicas de la instalación El sistema seria fijo con el siguiente arreglo
Configuración La planta contaría con los siguientes componentes:
Ítem
Cantidad
Módulos (300 Wp c/u)
330
Inversores (25 kW c/u)
4
Módulos en serie
22
Módulos en paralelo
15
Producción de energía Ítem Producción de energía anual Producción especifica Perdidas del arreglo solar
Cantidad 134 MWh/año 1351 kWh/kWp/año 0.55 kWh/kWp/día
Datos financieros Se considera lo siguiente: 1. Inversión 0.8 USD/Wp 2. Duración del préstamo de 25 años a una tasa del 8%
3. Tasa de impuestos al 33% 4. O&M de 0.02 USD/Wp/año
Resultados financieros
Ítem
USD
Inversión
79,200 USD
Impuestos (@33%)
26,136 USD
Inversión neta
105,336 USD
Anualidades
9,868 USD/año
O&M anual
1,980 USD/año
Total anualidades
11,848 USD/año
Energía producida
134 MWh/año
LCOE
0.088 USD/kWh
Resultados financieros con incentivos Con un incentivo de reducción de impuestos al 24%, obteniendo los siguientes resultados: Ítem
USD
Inversión
79,200 USD
Impuestos (@24%)
19,008 USD
Inversión neta
98,208 USD
Anualidades
9,200 USD/año
O&M anual
1,980 USD/año
Total anualidades
11,180 USD/año
Energía producida
134 MWh/año
LCOE
0.083 USD/kWh
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