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Evaluación tecnológica de la generación eléctrica distribuida con energía fotovoltaica.
J.R.Morante IREC, Catalonia Institute for Energy Research, Plaça de les Dones de Negre,1.
Sant Adrià del Besòs, 08930. Spain. Department of Electronics, University of Barcelona, C/Martí i Franquès,1.
Barcelona,08028. Spain.
La energía solar interceptada por la Tierra viene a ser de 1 kW por metro cuadrado (5,4 x1024 J o 174x1015W en total y durante un año). Es bastante más de tres órdenes de magnitud la consumida actualmente por los humanos. Teniendo en cuenta una superficie terrestre de 500 millones de km2, de los cuales el 71% es agua, con una energía media de unos 1.000W/m2 nos da una fuente más que suficiente, independiente, inagotable y válida para todos Así del sol en una hora incide sobre la superficie terrestre energía suficiente como para satisfacer la demanda mundial anual que actualmente ronda los 150 PWh (10E15)
Producción anual de biocombustible y eficiencia de conversión energética por fotosíntesis. Comparación con una celda fotovoltaica.
ESPECTRO SOLAR
Dispositivos fotovoltaicos para la conversión energía lumínica a eléctrica.
Electron hole pair photo generated FOTO GENERARICIÓN DE PARES ELECTRON-HUECO
El efecto fotovoltaico
Materiales semiconducotores + Fotones (luz )
Valence band
Conduction band
Band gap
Banda de conducción
Banda de valencia
ENERGIA
Banda prohibida = Eg
1) fotones con energías menores que la banda prohibida del semiconductor; 2) pérdidas por termalización de la red; 3) y 4) fotocorriente a través de la unión y los contactos; 5) pérdidas por recombinación. Separación de las cargas (electrón/hueco) fotogeneradas
UNION Semiconductora
Tipo P
Tipo N
corriente voltaje
Irradiación solar sobre la tierra
Comparación entre el promedio de electricidad requerida por una casa habitada por 2-3 personas y la electricidad suministrada por un sistema PV de 20m2
Producción diaria de electricidad PV Consumo de electricidad
Consumo eléctrico promedio por vivienda y superficie PV requerida para su cubertura en nueve países distintos
Uso potencial de energía solar en la EU-27 en 2020
Tecnologías fotovoltaicas y límites de eficiencia
Estado del arte de las tecnologías fotovoltaicas
Emerging technologies
Tandem cells
2nd generation
1st generation
Silic
io c
rista
lino
Cap
a de
lgad
a
Previsión sobre la evolución de los costes del kWh: Actualmente el coste medio del kWh según red eléctrica española, REE, se ha situado en 2012 aproximadamente en promedio a 6c€/kWh. [Memoria 2012 REE] según costes del mercado de energía antes de impuestos , de otras tasas y baremos fijos de la facturación eléctrica en España. Otros países tienen otros costes.
Comparación del coste de la energía producida para diferentes localizaciones presentando diferentes ambientes de radiación temperatura y difusión de la radiación
costes de planificación costes de preparación de la obra costes de soportes de montaje, costes de cableado eléctrico simple costes de inversores costes de conexión a la red costes de montaje
Costes estimados de la producción del modulo de silicio monocristalino en 2012, previsión para 2020 y previsión de los impactos de nuevas innovaciones en el sector en verde
1 U.S. dollar = 0.9080 €
CIGS production cost estimation
Source: CIGS White Paper (CIGS-PV.NET)
Precio promedio para sistemas fotovoltaicos instalados en tejados ( Ref.: Alemania)
Escenarios de precios de sistemas fotovoltaicos instalados según tipología €/W
PVG
IS ©
Eur
opea
n U
nion
, 200
1-20
12
Barcelona: 1520 kWh/kWp
Berlin: 962 kWh/kWp
Sevilla: 1600 kWh/kWp
2014: acumulado 178 GWp 2015: 50 GWp (estimated)
Source: Solarpower Europe - Global Market Outlook 2015
Evolución del global fotovoltaica instalado por año
Evolución de la capacidad solar global acumulada 2010-2015
230 GWp
Porcentajes de la producción de tecnologías de capa delgada respecto al total global de producción fotovoltaica
factores que intervienen en las estimaciones del valor de un KWh puesto en la red, LCOE, A= número de años de amortización Usualmente se ha considerado 15 r= tasa de interés de capitales. Típicamente 8% d= tasa de depreciación anual para alcanzar el 80% de la máxima eficiencia. Depende del valor de la vida media del sistema, N. N= vida media hasta alcanzar el 80% del máximo de su eficiencia. Hoy en día se estiman valores de 20, 25 o 30 años. m=porcentaje del total invertido considerado como estimación de los costes de mantenimiento y operatividad anual. Suele considerarse 1% Ci = costes de inversión inicial según tecnología fabricante etc…. L= coste del suelo. Se considerará como activo y no se incluye en las amortizaciones. Aproximadamente 1euro/m2 Módulo (m2)= según tecnología y fabricante BOS + Ingeniería= % del coste del módulo según EPIA Eficiencia = según tecnología, fabricante y modelo Nh= número de horas de irradiación. Se estimarán 1800 horas aunque su estimación puede englobar otros efectos. Pin= potencia incidente sobre el módulo 1000W/m2 FI según datos EPIA, Bloomberg, otras bases de datos FP según datos EPIA Bloomberg, otras bases de datos Estos últimos parámetros sirven para baremar las diferencias en costes debido al tipo y dimensión de las instalaciones (pequeña, mediana o gran instalación). Con estos parámetros y de acuerdo con el modelo detallado en el anexo LCOE viene definido para sus cálculos según la fórmula
Inversión Inicial= Ci
Suelo= L t=0
t=1
t=2
t=3
t=n
Costes mantenimiento &operation = m% de Ci = MO1
MO2
MO3
MOn
Ci = [Módulo+ BOS +Ingeniería]*FI*FP
BOS= Body of system= coste de la instalación
Ingeniería=
FI= factor de instalación según tecnologia (tracking, fija, techo,
granja solar,….)
FP= Factor de capacidad instalada según potencia total.
MO1
r= tasa de interés
Las cantidades MOn a t=n trasladadas a t=0 corresponden a una previsión de [MOn /(1+r)n ]
Por tanto la previsión de capitales en t=0 corresponde a
Ci = [Módulo+ BOS +Ingeniería]*FI*FP
L = Coste del suelo [ Este coste puede considerarse un activo y no entrar en la estimación de recuperación de la inversión.]
Σ [ MOn /(1+r)n ] para n= 1 a N
Ctotal a t=0 = L + Σ [ MOn /(1+r)n ] + [Módulo+ BOS +Ingeniería]*FI*FP
Se normaliza a 1 metro cuadrado.
para n= 1 a N
Eficiencia = η
Tasa equivalente anual de degradación= d
Numero de horas efectivas solares anuales= Nh
Potencia recibida por m2= PIn
Por tanto, anualmente se producirá por metro cuadrado la siguiente energía expresada en kWh
En = [Pin ∗ η ∗Nh∗ (1-d)n]
Si esta energía es vendida al precio LCOE en el año t=n producirá unos ingresos o rendimiento
Rn = LCOE ∗ En
Y estas cantidades a distintos tiempos se pueden trasladar para su comparación a t=0 con una tasa
financiera r
Rn
R3
R2
R1
Los rendimientos considerados en t=0 serian
Σ [Rn / (1+r)n] n= 1 a N o lo que es mismo considerando así la definición de LCOE
LCOE es el precio medio de la electricidad necesaria para un Valor Actual Neto [t=0] (VAN) igual a cero cuando se realiza un análisis del descuento del flujo de caja (DCF), por lo que un inversor que salga sin ganar ni perder reciba una devolución proporcional a la tasa de descuento de la inversión.
Σ LCOE∗ [En / (1+r)n] n= 1 a N
Y por tanto tomando los sumatorios de n=1 a N
LCOE = L + S [ MOn /(1+r)n ] + [Módulo+ BOS + Ingeniería ]*FI*FP Σ [En / (1+r)n]
Otras opciones para comprar inversiones y rendimientos en trasladar los capitales financieros a t=n
Esta vía de comparación permite fácilmente prefijar un periodo de amortización completa t= A y dejar el resto de años hasta finiquitar la garantía como margen de
beneficio.
Nuevas variables en relación a la variable “t”
“A” periodo de amortización en años
“N” años de garantía ( 20, 25 o 30 años)
Aquí las cantidades costes iniciales, gastos anuales y rendimientos quedan respectivamente:
Inversión y costes (t)=
[ L + [Módulo+ BOS +Ingeniería]*FI*FP] (1+r)t +Σ [ Mon (1+r)t-n ]
Rendimientos (t)= Σ LCOE∗ [En (1+r)t-n]
De donde se deduce la misma estimación para LCOE excepto si t no coincide con N sino con A entonces quedaria
t=A
t=N
[ L + [Módulo+ BOS +Ingeniería]*FI*FP] (1+r)A +Σ [ MOn (1+r)A-n ]
Para n=1 a A, los costes son:
los rendimientos serian
Σ LCOE∗ [En∗(1+r)A-n]
Y para tener en el periodo elegido de amortizacion un Net Present Value a t=A ambas cantidades deben ser iguales.
A partir de este momento el beneficio seria:
Para n= A a n=N B= Beneficios estimados en t=N=
Σ LCOE∗ [En ∗(1+r)N-n] - Σ [ MOn (1+r)N-n ]
0 155
10
15
20cé
ntim
os d
e eu
ros
LCO
E
tecnologias
Monocrist. Multicrist. CIS CdTe
Gran Potencia
Potenciamedia
Pequeña potencia
tA=tNt=20 años
Rangos según tecnología y potencia instalada A=N
Influencia del factor de coste comparado con el coste Kwh eléctrico según mercado generación y mercado
de emisiones de CO2
Source: Solarpower Europe - Global Market Outlook 2015
Costes en Europa de la generación de electricidad solar comparado con otras fuentes.
System cost / Electricity pro-duction per kWp
700 kWh/a
800 kWh/a
900 kWh/a
1000 kWh/a
1100 kWh/a
1500 kWh/a
2000 kWh/a
200 € / kWp 6.8 5.9 5.3 4.7 4.3 3.2 2.4 400 € / kWp 8.4 7.4 6.5 5.9 5.3 3.9 2.9 600 € / kWp 10.0 8.8 7.8 7.0 6.4 4.7 3.5 800 € / kWp 11.7 10.2 9.1 8.2 7.4 5.5 4.1 1000 € / kWp 13.3 11.7 10.4 9.3 8.5 6.2 4.7 1200 € / kWp 15.0 13.1 11.6 10.5 9.5 7.0 5.2 1400 € / kWp 16.6 14.5 12.9 11.6 10.6 7.8 5.8 1600 € / kWp 18.3 16.0 14.2 12.8 11.6 8.5 6.4 1800 € / kWp 19.9 17.4 15.5 13.9 12.7 9.3 7.0 2000 € / kWp 21.5 18.8 16.7 15.1 13.7 10.0 7.5
Levelized Cost of Electricity for PV Systems in Cents€ / kWh LCOE para sistemas fotovoltaicos en c€/kWh
Coste medio ponderado del capital;2,8%, costos de operación: 35€a; degradación del 0,2% / a; tiempo de vida de 25 años. Fuente: Fraunhofer ISE, Stromgestehungskosten Emeuerbarer Energien
Dos modelos, 7 kWh y otro de 15 kWh. Tesla/Solar City ofrece facilidades de compra, una entrada de 1.500 $ y 15 $ mensuales durante 20 años. (>340$/kWh) http://www.solarcity.com/ https://www.teslamotors.com/
Baterías de flujo para el auto-consumo
10 kWh, 2 kW 15/20/25/30 kWh , 5 kW 10 kWh, 2 kW
15,30 KWh, 5kW
2.08 m
1.33 m
2.15 m
• almacenamiento de energía casi ilimitada • Segura y ambiental • dispositivo de almacenamiento de energía flexibles • Robusto y duradero (hasta 20 años), con bajos requerimientos de mantenimiento • baja auto-descarga
-20 to 55ºC
Previsión evolución costes grandes instalaciones existiendo un adelanto de entre cinco –diez años
Grandes sistemas Fotovoltaica €/Kwp
ALGUNOS DATOS PARA UNA CASA RESIDENCIAL
Consumo eléctrico anual: 4000 kWh/a (<12kWh/dia) Capacidad de generación de electricidad PV: 1600kWh/kWp (Sur España) Precio Pagado de la electricidad de la red incluyendo tasas, impuestos, tramos fjjos: > 25 cts/kWh Precio del sistema PV instalado: 1000-1500 €/kWp Datos instalación: Sistema 3kWp PV y una batería de 15 kWh Cobertura solar > 95%
Fuente. IREC Costes básicos generación solar 6 c€/kWh Costes básicos almacenamiento 6c€/kWh
Antes de impuestos
Objectivo: Autoconsumo •Campo Fotovoltaico: 69 Panales de 250 Wp •Ondulador: Trifasico15 KW •Gestor sistema: 3 VictronMultiplus48/5000/70 •Almacenamiento: 24Baterías 2V OPZs800 Ah C10 •Autonomía: 3 h. •Ahorro aproximado >25.000 KWh/año
INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA DE 17,25 KWp
Ejemplo:
Mercès per la vostra atenció! Gracias por vuestra atención!
Thanks for your attention!
