ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO DE FACTIBILIDAD DE

ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO DE FACTIBILIDAD DE

II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA
ELÉCTRICA
Junio 2009
Comité Nacional Venezolano
D1-168
ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO DE FACTIBILIDAD DE
GENERACIÓN FOTOVOLTAICA EN VENEZUELA
Roberto Alves
[email protected]
Francisco Chacón
[email protected]
Héctor Toledo
[email protected]
Unidad de Gestión y Grupo de Investigación en Sistemas Industriales de Electrónica de Potencia
(UGSIEP), Dpto. de Conversión y Transporte de Energía CTE. Universidad Simón Bolívar
RESUMEN
En este artículo se presentan los resultados más relevantes del Estudio de Factibilidad (técnicoeconómico) para la implementación de Sistemas de Generación Fotovoltaica en plantas industriales y/o
empresas de Venezuela, considerando sus aplicaciones y los benéficos energéticos-ambientales que éstos
proporcionan. La generación de electricidad a partir de la energía solar es sin duda una opción para la
alimentación eléctrica de zonas aisladas y comunidades remotas, que puede tener un alto impacto social.
Otra opción a evaluar, es el ahorro energético que puede lograrse mediante este tipo de generación,
orientado a industrias, empresas y plantas industriales. En este trabajo se describe el procedimiento
general para el diseño y la especificación de los componentes principales de sistemas fotovoltaicos
conectados a la red eléctrica así como, también, para la alimentación de cargas aisladas. Se realiza una
estimación y comparación de costos en función de la energía generada para cada uno de los diseños.
Adicionalmente se determina, empleando el programa RETScreen International, la factibilidad de
implementar sistemas de ahorro energético basados en sistemas fotovoltaicos conectado a red en
Venezuela. Se usa como ejemplo de cálculo los resultados obtenidos para una empresa ubicada en la zona
central del país. En este caso de ejemplo se obtienen los costos globales de la inversión inicial, los costos
de la energía producida y ahorrada así como los tiempos de retorno de la inversión para distintos
escenarios de estudio planteados. El trabajo incluye: la descripción general de la teoría básica, el diseño y
especificación del sistema así como el análisis técnico-económico,los resultados obtenidos y las
conclusiones.
PALABRAS CLAVE
Ahorro energético, sistemas fotovoltaicos, energías alternativas, factibilidad.
[email protected]
1.
ENERGÍAS RENOVABLES
La tecnología actual de las energías renovables (solar, eólica, geotérmica, biomasa, etc.) se ha desarrollado
vigorosamente como consecuencia de la llamada “crisis energética” mundial. Este desarrollo también ha
sido impulsado por la creciente preocupación por el deterioro ambiental y el cambio climático, debido al
efecto invernadero (generado principalmente por las emisiones de CO2). Pese a ello, en la actualidad
alrededor del 80% de la energía consumida proviene de los combustibles fósiles, un 10% de la energía
nuclear, un 5% de la hidroeléctrica. El 5% restante proviene de otras energías, entre las que se encuentran
las renovables. Se espera un desarrollo importante de la generación de energía “limpia” en las próximas
décadas. En la Fig. 1 se observa la relación entre la energía solar anual que incide sobre el planeta, el
consumo energético mundial anual y las reservas existentes de los distintos combustibles fósiles utilizados
en la actualidad (inlcuido el Uranio). La energía procedente del sol es unas 10.000 veces mayor al
consumo energético mundial. Obviamente, no toda la irradiación solar que incide sobre la tierra es
aprovechable. Sin embargo, como ejemplo, puede decirse que utilizando una superficie menor al 2% de
Europa para la captación fotovoltaica, se podría cubrir el consumo de energía eléctrica mundial actual.
Fig. 1: Relación entre la energía solar y reservas de combustibles fósiles
2.
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Consiste en la conversión directa de la radiación solar en electricidad mediante células fotovoltaicas. En la
actualidad, la tecnología fotovoltaica se encuentra en pleno desarrollo: las células fotovoltaicas tienen
eficiencias muy bajas (del orden del 15%) y costos de producción muy elevados, lo que hace necesario el
apoyo institucional para asegurar la viabiliad económica de este tipo de sistemas. En la Tabla 1 se muestra
una primera gran clasificación de los sistemas fotovoltaicos.
Tabla 1: Clasificación general de los sistemas de generación fotovoltaicos
Comúnmente suplen cargas como: viviendas rurales, granjas,
Sistemas aislados de la red eléctrica
sistemas de bombeo, iluminación, sistemas de telecomuni(sistemas autónomos)
caciones, señalización, etc.
Conformados por centrales fotovoltaicas y sistemas
Sistemas conectados a la red eléctrica
fotovoltaicos en edificios o grandes sistemas conectados a red.
Los componentes principales de los sistemas fotovoltaicos son los siguientes:
 La energía solar.
 Células y módulos fotovoltaicos, orientados de tal manera que reciban la mayor cantidad de radiación
solar a lo largo del año.
 Sistema de almacenamientos de energía (baterías), solo en los casos de sistemas aislados.
1



Inversor para transformar de corriente directa a corriente alterna.
Protecciones eléctricas.
La red eléctrica, solo en los casos de sistemas conectados a la red.
El principio básico de funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos es el siguiente: la energía solar incide
sobre el generador fotovoltaico (constituido por los módulos fotovoltaicos y estos a su vez, por las células
solares). Los módulos fotovoltaicos generan electricidad en corriente directa ó continua. En el caso de
sistemas aislados: la corriente directa carga un banco de baterías que, a través del inversor de potencia
alimenta la carga del sistema. El conjunto dispone de elementos de protección tanto a la entrada como a la
salida. En el caso de sistemas conectados a red: la corriente directa generada por los módulos alimenta
directamente al inversor de potencia. En este caso la tensión y la frecuencia son establecidas por la red
eléctrica y el control del inversor se encarga de regular la potencia inyectada al sistema. Las ventajas y
desventajas de estos sistemas se pueden resumir en los aspectos indicados en la Tabla 2.
Tabla 2: clasificación de los sistemas de generación fotovoltaicos
PRINCIPALES VENTAJAS
PRINCIPALES DESVENTAJAS
No genera ruidos ni contaminantes Altos costos de inversión
Mantenimiento sencillo y de bajos costos Bajo rendimiento de las células solares
Según el caso, puede tener impacto
No produce CO2
visual o paisajístico importante
Se instalan fácil y rápidamente sobre cualquier superficie o En el caso de los sistemas aislados se
edificación (cuando no existen obstáculos que proyecten sombras) requieren bancos de baterías
Para altas potencias se requiere grandes
Bajos costos de operación
superficies para su instalación
En muchos casos el impacto paisajístico es mínimo
Para bajas potencias, no se necesita grandes cantidades de
superficie para su instalación
No requiere agua ni combustibles para su funcionamiento
3.
DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
Para dimensionar un sistema fotovoltaico se deben conjugar una serie de parámetros, como se indica en la
Fig. 2. La demanda energética a cubrir, la disponibilidad del recurso solar y el capital disponible son los
factores que tienen mayor peso en el diseño. Existen muchos métodos para la determinación de los
sistemas fotovoltaicos, entre los que se pueden mencionar: el método de la superficie máxima disponible,
el método del costo máximo de inversión asumible, el método del peor mes, y otros. Sin embargo, los
requerimientos, para todos, se basan en conocer:
 La radiación solar disponible en el sitio
específico donde se hará la instalación.
 El área disponible donde se instalará el sistema
fotovoltaico, para determinar la orientación y
grados de inclinación de los módulos
fotovoltaicos.
 Los requerimientos energéticos (demanda).
 Las características de la carga (carga aislada ó
con conexión a la red).
 Las características de los módulos solares e
inversores disponibles.
 La capacidad de la inversión asumible.
Fig. 2: Elementos que intervienen en el diseño de un
sistema fotovoltaico
2
4.
PROGRAMA RETSCREEN® INTERNATIONAL
El Programa (software) de Análisis de Proyectos de Energía Limpia RETScreen es una herramienta de
apoyo para la toma de decisiones, única en su género, desarrollada con la contribución de numerosos
expertos del gobierno, industria y académicos (canadienses). El software es gratuito y es usado para
evaluar la producción de energía y ahorros, costos de ciclo de vida, reducción de emisiones, aspectos
financieros y de riesgo de varios tipos de tecnologías de energías renovables y de eficiencia energética. El
software incluye bases de datos de productos y climáticos, costos y un manual de usuario detallado. Por
estos motivos se empleó el programa para analizar la factibilidad de instalaciones de sistemas de
generación fotovoltaicas en Venezuela, aplicado y visualizando instalaciones de tipo industrial.
5.
ANÁLISIS TÉCNICO DEL SISTEMA
Para realizar el análisis de factibilidad para la implantación de un sistema fotovoltaico se debe, en primera
instancia, determinar el tipo de sistema a instalar, las necesidades energéticas a satisfacer, el impacto
socio-cultural que pueda tener y garantizar un sistema lo más rentable posible. El caso en estudio es una
empresa perteneciente a la mediana industria que busca reducir el consumo de energía proveniente de la
red de suministro eléctrico. El sistema con menor impacto económico es el Sistema Fotovoltaico con
conexión a la Red, porque no incluye costos del banco de baterías, reguladores de carga, protecciones
asociadas a estos equipos, espacio, mantenimiento, etc. El objetivo del sistema a ser diseñado es el de
ahorro de energía (no es un sistema de respaldo). Los pasos a seguir para el diseño del sistema planteado
han sido los siguientes:
1. Área disponible y ubicación (coordenadas GPS): La Fig. 3muestra la ubicación y dimensiones
(20x16,3 mts) del techo del almacén donde se instalaría el sistema fotovoltaico.
2. Caracterización de la carga: Se instaló un registrador de carga y calidad de energía para identificar
el ciclo de carga promedio de la empresa. La Fig. 4, muestra el ciclo (1 semana). La Tabla 3 muestra
los valores promedios, máximos y mínimos de la potencia (kVA. Como la empresa tiene proyectadas
ampliaciones a futuro y la carga eléctrica adicional principal será de aires acondicionados, se estimó
la demanda, como se puede ver en la Tabla 3.
3. Mediciones de la radiación solar. Se procesaron los datos de tres fuentes: medidas realizadas en el
sitio (se instaló un dosímetro), datos del Centro Nacional de Investigaciones Agrícolas (CENIAP) y
las obtenidas del Dpto. de Climatología de Fuerza Aérea Venezolana (FAV). Esta información indica
que el recurso solar de la región es muy favorable para la generación fotovoltaica y permitió realizar
una estimación de la producción de energía posible obtener. Se elaboraron tablas de radiación solar
medias mensuales y anuales como se muestran en la Fig. 5.
4. Selección de los Módulos Solares: Las características de los módulos solares disponibles son las
siguientes: Módulo solar marca CHINT modelo CHSM-230M [3].
Pmpp(W) 
Voc(V) 
Isc(A) 
Vmpp(V) 
200
36.4± 10%
7.42± 10%
29.1± 10%
Impp(A) 
Dimensiones(mts) 
Peso(Kg) 
6.87± 10%
1,652 x 0,994 x 0,45
16.5
5. Selección del número de módulos solares: Utilizando al máximo las dimensiones de la superficie
(20 x 16,3 mts) y empleando la hoja de cálculo de SCHLERTTER [2], se determinó el espaciamiento
mínimo para que un arreglo de módulos no haga sombra con otro (para el día con incidencia de sol
más bajo). En la Fig. 6, se muestra una ilustración de cómo queda es espaciado de los arreglos de
módulos. En definitiva el generador fotovoltaico queda constituido por 10 arreglos (conectados en
paralelo) de 15 módulos cada uno (conectados en serie).
3
Fig. 3: Sitio de instalación del sistema, dimensiones y coordenadas del almacén
20
Potencia Aparente Trifásica
18
Potencia Aparente (kVA)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
05/11/2007 12:00am
07/11/2007 02:40pm
10/11/2007 05:30am 12/11/2007 12:0
Del Lunes 05/11/2007 12:00am al Lunes 12/11/2007 12:00am
Fig. 4: Potencia trifásica (kVA)
Tabla 3: Potencia Aparente (kVA) y potencia proyectada a futuro
Potencia
Aparente
P. Aparente
Promedio (kVA)
P. Aparente
Máxima (kVA)
P. Aparente
Mínima (kVA)
Fase A Fase B Fase C Trifásica
3,51
3,61
4,40
11,41
5,98
6,17
7,17
18,17
1,02
0,71
0,00
1,73
Potencia Aparente
Trifásica
P. Aparente Máxima (kVA)
18,17
P. Aparente por A/A (kVA)
4,80
P. Aparente Total (kVA)
P. Aparente Proyectada a
Futuro (+30%) (kVA)
22,97
29,86
4
8,00
6,00
6,00
4,00
4,00
2,00
2,00
0,00
0,00
JU
M
FE
EN
Insolación
Radiación solarm edia (kW h /m 2*d)
8,00
N
JU
L
AG
O
SE
P
O
C
T
NO
V
DI
C
10,00
B
AR
AB
R
M
AY
12,00
10,00
Insolación (h)
Radiación solar media
12,00
E
Radiación (kWh/m2*día)
Insolación vs. Radiación solar
12
10
8
6
4
2
0
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Radiación
Año 2001
Radiación solar (kWh/m2*día)
Radiación solar
(kWh/m2*día)
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
NOV
DIC
Meses
CENIAP
Prom mensual
Radiación solar promedio mensual
Radiación solar promedio mensual
12,00
Año 2003
ENE
FEB
Meses
FAV
CENIAP
SAER
FAV
Fig. 5: Gráficos de radiación obtenidos de los datos recopilados
Fig. 6: Distancias mínimas requeridas para evitar el efecto sombra
6. Dimensionado del generador fotovoltaico e inversor: Los valores nominales (pico) del generador
fotovoltaico serán:
Tabla 4: Valores nominales del generador fotovoltaico
Vmp(V)
Imp(A)
Pmp(kW)
436,5
68,7
29,99
Se recomienda que la potenia nominal del inversor sea del 90% del valor del generador fotovoltaico.
Pinv = Pmp x 90% = 29.99kW x 0.90 = 26.99 kW
Los valores nominales típicos de los inversores de potencia suelen ser múltiplos de 5kW, por tal
motivo se escoje una capacidad nominal del inversor (trifásico) de 30 kW. El inversor debe cumplir
con otras especificaciones: el rango de tensión de alimentación admitan el valor del Vmp del
5
generador fotovoltaico, así como el rango de corriente de alimentación admita el valor de Imp. En
función de estas consideraciones se seleccionó un inversor de la marca CECOM de 30kW [4].
6.
ANÁLISIS ECONÓMICO DEL SISTEMA
La inversión inicial de una instalación solar fotovoltaica es función de la potencia a ser instalada. Por lo
general se encuentra en el orden de los 6,5 y 8 US$ por vatio instalado (US$/W).
Para el caso en estudio, la “ganancia” representa la energía que se deja de consumir de la red eléctrica. En
otros casos se debe considerar la independencia (relativa), si se dispone de un sistema de almacenamiento
de energía (baterías). Los gastos que genera el funcionamiento de un generador fotovoltaico son los
asociados al mantenimiento (que son bajos).
Por lo general, la amortización simple, según datos internacionales se encuentra en el orden de los 10 a 15
años. Sin embargo, esto depende fundamentalmente del costo de la energía en cada país y también de los
incentivos que se establecen en cada caso.
Los costos que estimados de la inversión inicial del sistema fotovoltaico son los indicados en la Tabla 5.
Tabla 5: Costos estimados de la inversión inicial
Paneles solares, transporte y
nacionalización
Inversores, soportes, protecciones
e instalación
Otros gastos
Total de la inversión
$126.920
56.5%
$89.618
38.5%
$11.236
4.9%
$227.774
100%
Otros datos usados y requeridos para el programa RETScreen:

Precio del kWh de la red Eléctrica en Venezuela  US$ 0,05

Incremento anual del precio del kWh  5%

Período de Amortización  25 Años

Costo anual de Mantenimiento  US$ 924
La Fig. 7 muestra los resultados obtenidos: se observa claramente que, desde el punto de vista económico,
la implementación del sistema solar fotovoltaico diseñado no es factible ya que la tasa de retorno de la
inversión supera los 25 años (tiempo de vida útil del sistema). El resultado era predecible puesto que un
factor primordial para la factibilidad de este tipo de sistemas es el costo de la energía eléctrica. En
Venezuela existe un costo sumamente bajo, comparado a otros países, lo que hace poco atractiva su
implementación.
La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., muestra el caso de que el costo de la energía
fuera de 0,59 $/kWh y la tasa de retorno de la inversión se reduce a 10 años. En la Tabla 6 se muestra el
cálculo de los años para el retorno de la inversión bajo distintos esquemas de costos de la energía.
6
Fig. 7: Flujo de Caja a 0,05 $/kWh
Fig. 8: Flujo de Caja a 0,59 $/kWh
Tabla 6: Retorno de la inversión bajo distintos esquemas de costos
A precio de kWh en Venezuela
$ 0,05
Retorno de inversión > 25 años
El precio para 10 años de retorno
$ 0,58
Retorno de inversión 10 años
A precio kWh en USA
$ 0,85
Retorno de inversión 7 años
A precio kWh en España
$ 1,05
Retorno de inversión 5,6 años
7
7.
CONCLUSIONES








El diseño seleccionado y especificado es técnicamente factible y, de ser instalado, producirá un
ahorro importante de la energía consumida por la empresa de la red eléctrica.
Al considerar los aspectos económicos del problema, a los costos actuales de la energía en
Venezuela (0,05$/kWh) el proyecto no es económicamente factible ya que la recuperación de la
inversión supera los 25 años. Un sistema de estas características redundaría en otros beneficios
que no se evidencian en este cálculo puramente económico.
La inversión inicial estimada es de US$ 227.774. Del monto total a invertir el 55,72% de los
gastos corresponden al sistema de paneles solares y el 39,35% a los inversores de potencia. Si
existe alguna disminución en el costo de los paneles solares y/o en los inversores de potencia
debido a acuerdos con las empresas fabricantes el impacto sobre la factibilidad sería muy
importante y lo podría hacer un proyecto económicamente factible.
En otros países en donde el costo de la energía eléctrica es más elevado, este tipo de proyectos son
factibles económicamente, por ejemplo, en EEUU el costo del kWh es de $0,85 lo que resultaría
en un retorno de la inversión de 6,9 años, en España donde el costo es aún más elevado ($ 1,05 por
kWh) el tiempo de retorno de la inversión sería de 5,6 años.
Bajo una visión de beneficios para el país (visión de estado), una de las ventajas de utilizar este
tipo alternativo de generación, es el ahorro en el consumo de combustible, proporcionado a la
empresas eléctricas (para producir energía en plantas térmicas) a un precio subsidiado. Se puede
considerar que el combustible ahorrado bajo estos esquemas de generación producirían enormes
ganancias si es vendido en el exterior a precios internacionales.
En los EEUU, el precio del diesel es aproximadamente de $ 4.15 por galón, es decir, alrededor de
1,092 $/litro. El consumo promedio de combustible para la generación eléctrica es cerca de 0,25
litros/kWh. Tomando en cuenta que el consumo promedio mensual de la empresa en estudio es de
3.675 kWh, se necesitarían unos 919 litros de combustible para abastecer dicha carga. Si se
colocara ese combustible en el mercado internacional se generarían ingresos de alrededor de US$
1.700 mensuales, es decir, unos $ 20.400 anuales. Se demuestra así, que es rentable para país o
para el estado el promover este tipo de proyectos, por lo que debería estudiarse la implementación
de políticas de incentivos que hagan atractivos la instalación de sistemas solares fotovoltaicos (en
este tipo de empresas así, con mayor razón, en el caso de sistemas aislados, en este caso por su
alto impacto social).
Se deben tomar en cuenta los beneficios medioambientales que proporcionan este tipo de
sistemas: en promedio producir un kWh genera 0,5 Kg de CO2. Para el caso en estudio se estarían
dejando de emitir unos 1.837,5 Kg de CO2 al mes, es decir, unas 22,05 Ton de CO2 al año.
La idea básica detrás de la producción fotovoltaica no debe ser únicamente la rentabilidad
económica, sino la contribución a mejorar el medio ambiente, reducir la dependencia energética o,
en el caso de Venezuela, a reducir el consumo de petróleo. En general, no se debe esperar obtener
grandes beneficios, sino cubrir los gastos y contribuir a un mundo mejor.
BIBLIOGRAFÍA
[1]
“Energía Solar: Diseño e Instalación de Arreglos Fotovoltaicos y Térmicos”, Curso de
Energía Solar Fotovoltaica Dr Rodolfo Dufo López, Septiembre 2007.
[2]
http://solar.schletter.de/dl.php?lan...+2.1%2C+ES.xlt
[3]
Características de los Módulos Solares CHINT, Manual de Instalaciones y Recomendaciones.
[4]
http://www.grupocecom.es/docs/Inversor%20Solar%20CECOM.pdf
8