Estudio técnico económico para implementación de paneles fotovoltaicos interconectados a la red de distribución
Technical economic study for the implementation of grid-connected photovoltaic panels
Resumen: El presente trabajo realiza un estudio técnico económico para la instalación de un sistema de generación distribuida para autoabastecimiento utilizando paneles fotovoltaicos con el propósito de generar energía eléctrica para uso comercial interconectado a la red de distribución. En este sentido, la metodología presenta un escenario completo con análisis de sistemas solares fotovoltaicos que pueden suplir las necesidades del usuario en el sector comercial reduciendo los costos de la factura eléctrica y la implementación con recuperación de la inversión a largo plazo. Cabe destacar, que la inversión en sistemas solares fotovoltaicos en Guaranda - Bolívar y sus productos adicionales serían compensados por el ahorro generado a través del uso de esta tecnología, incentivando a que comercios similares opten por los beneficios de instalar sistemas solares fotovoltaicos interconectados a la red y en cumplimiento con la normativa vigente acorde a la resolución No. ARCERNNR-001/2021 en el Ecuador.
Palabras Clave: auditoría energética, eficiencia energética, generación distribuida, sistemas fotovoltaicos.
Abstract: The present research carries out a technical-economic study for the installation of a distributed generation system for self-supply using photovoltaic panels with the purpose of generating electrical energy for commercial use interconnected to the distribution network. In this regard, the methodology presents a complete scenario with analysis of solar photovoltaic systems that can meet the needs of the user in the commercial sector, reducing the costs of the electricity bill and the implementation with long-term recovery of the investment. It is worth noting that the investment in solar photovoltaic systems in Guaranda - Bolívar and its additional products would be compensated by the savings generated through the use of this technology, encouraging similar businesses to opt for the benefits of installing solar photovoltaic systems interconnected to the grid and in compliance with current regulations according to resolution No. ARCERNNR-001/2021 in Ecuador.
Keywords: energy audit, energy efficiency, distributed generation, photovoltaic systems.
I. Introducción
La demanda de energía en el Ecuador se incrementa en el sector industrial acorde al histórico de datos en el 2021 se incrementó a un valor promedio de e 15,9 millones de BEP, lo que representa una demanda nacional del 17.4 % en aumento (Balance Energético Nacional, 2021); mediante la consideración de proporcionar suficiente energía para iluminación, funcionamiento de máquinas y equipos de procesos industriales que requiere la utilización de la red trifásica de energía eléctrica.
El sector industrial es uno de los sectores con mayor consumo energético en el mundo; por lo tanto, se debe prestar una atención importante a esta área (Barragán & Llanes, 2020). Estos valores reflejan que, a pesar de la importancia dada a la reducción del consumo eléctrico y la implementación de equipos eléctricos eficientes, existe una gran demanda de energía en las industrias y los usuarios comerciales, en donde, la inversión a largo plazo permite la introducción de Energías Renovables No Convencionales (ERNC) mediante la implementación de sistemas de generación distribuida para autoabastecimiento.
La política y enfoque en materia de eficiencia energética y conservación están experimentando cambios significativos y un crecimiento constante. Aunque los índices de eficiencia energética en Ecuador han mostrado una disminución en los últimos años, siguen siendo superiores a los de los países industrializados, aunque se pretende al 2035 aplicar programas de cogeneración en la industria para una mejora de la eficiencia energética en un 10 % (Plan Nacional De Eficiencia Energética, 2017). El sector industrial en el país es diverso y cada subsector ha evolucionado de manera diferente en términos de eficiencia y ahorro energético, por lo que, la elección de la tecnología energética renovable adecuada para Ecuador debe basarse en las características específicas de cada sector industrial (Barragán & Llanes, 2020) y tener en cuenta otros factores relevantes en cuanto al consumo de energía eléctrica considerando que la caracterización de los sistemas de generación distribuida para autoabastecimiento según la resolución N° ARCERNNR-001/2021 determina que la potencia nominal debe ser menor a 1MW, se debe sincronizar con la red de distribución, aprovecha recursos energéticos y utiliza cualquier fuente de energía renovable con o sin almacenamiento de energía.
Es fundamental realizar auditorías energéticas que examinen los consumos en cada proceso y se diagnostique ineficiencias energéticas para corregirlas adecuadamente. Además, se debe considerar las tecnologías requeridas según las características inherentes de cada proceso en el sector industrial. (Barragán & Llanes, 2020).
El objetivo de esta investigación fue analizar la factibilidad de implementación de un sistema de generación distribuida para autoabastecimiento con Energía Renovable No Convencional, como los sistemas fotovoltaicos, con un usuario comercial con alta demanda de energía eléctrica, ubicado en el centro de la ciudad de Guaranda (González & González, 2020).
Según la investigación previa (Aguilera & Zamora, 2018) de los consumos históricos del usuario analizado durante el año 2022, se pretende enfocar el estudio como una alternativa de energía sustentable aplicado a empresas de bajo consumo energético, reduciendo el impacto ambiental al utilizar su propio sistema autosustentable como ejemplo para demás empresas del mismo índole productivo o superior de la zona.
Este estudio se enmarca en el enfoque cuantitativo de la investigación científica, con un criterio técnico-económico. El usuario analizado, del tipo comercial, mantiene consumos de energía eléctrica mínimo de 660 kWh y máximo de 987 kWh, como se presenta en la Fig. 1. La empresa está dedicada la producción de helados artesanales a baja escala, en la ciudad de Guaranda, provincia Bolívar, Ecuador.
Se parte de un análisis estadístico descriptivo que revela el consumo promedio mensual del usuario comercial que es de 808,83 kWh/mes que representa un costo promedio aproximado de $100,97 dólares, los cuales se cancela a la empresa distribuidora del servicio eléctrico, seguidamente en la inspección física de las instalaciones del usuario, se verifica las cargas instaladas para determinar que la demanda aproximada de la empresa es de 6 kW.
Con la información obtenida, se realiza el dimensionamiento del sistema de generación fotovoltaica, aprovechando al máximo la superficie y el tiempo de incidencia de la radiación solar en la ciudad en las coordenadas establecidas en el apartado E. de este documento. A partir de las especificaciones y dimensionamiento del sistema fotovoltaico, se plantea una propuesta de inversión inicial para el usuario, demostrando los beneficios de retorno de la inversión de la instalación de paneles solares que posteriormente serán compensados por los ahorros generados al utilizar esta tecnología de energía renovable no convencional.
De la misma manera, luego del estudio económico, se realiza el esquema de conexión para la implementación del sistema solar fotovoltaico y se estima la producción mensual basada en la radiación solar de la ciudad de Guaranda (National Aeronautics and Space Administration, 2023) para verificar la producción de energía eléctrica en el año 2022. En este sentido, con toda la información obtenida se realiza la factibilidad técnica y económica comparando la viabilidad del proyecto investigado con los consumos eléctricos históricos reales y la producción de energía solar fotovoltaica generada por el usuario.
Figura I
Consumo Eléctrico vs Costo Año 2022
III. Resultados
Dimensionamiento del Sistema Fotovoltaico
En esta etapa se determina la cantidad (Rincón & Pachón, 2019) y tipo de paneles solares (Flores & Soto, 2020) necesarios para generar el promedio de consumo de energía eléctrica requerida (Khatib & Hanitsch, 2018) por el usuario del sistema, que es 808, 83kWh, así como el tipo y tamaño de inversor y otros componentes necesarios para el correcto funcionamiento del sistema de generación distribuida para autoabastecimiento.
Para que el sistema fotovoltaico abastezca teóricamente (Prado & Montealegre, 2016) al 100% la carga instalada del usuario se considera las especificaciones en la Tabla I, con la disposición del arreglo de los paneles fotovoltaicos (Morales & Calderón, 2021), se suplirá la demanda promedio mensual del usuario.
Tabla I
Arreglo de paneles solares
|
Ítem |
Detalle |
|
Paneles por Arreglo |
18 |
|
Potencia |
6120 W |
|
Paneles en Serie |
9 |
|
Paneles en paralelo |
2 |
|
Vmax |
343,8 V |
|
Imax |
18,9 A |
|
Voc |
418,5 V |
|
Isc |
17,8 A |
Para poder determinar estos parámetros (Fernández & Serrano, 2019) se escogieron los paneles de modelo Blueson BSM340P-72 y el inversor modelo SMA-SunnyBoy-SB6000U/600Vdc-240Vac. Las especificaciones técnicas del sistema de generación distribuida para autoabastecimiento en la ciudad de Guaranda con los equipos (García & López, 2020) a utilizar se especifican en la Tabla II.
Especificaciones del sistema
|
Ítem |
Valor |
|
Potencia del Sistema |
6,12 KW |
|
Derate |
0,76979 |
|
Pérdidas del Sistema |
0,23021 |
|
Capacidad x Módulo |
340 W |
|
Capacidad x Inversor |
6000 W |
|
Módulos x Inversor |
18 |
|
Inversores x Sistema |
1 |
|
Potencia x inversor |
6120 W |
|
Potencia x Sistema |
6,12 kW |
Propuesta de Inversión
Se elabora un plan de inversión en el que se detallan los costos de los componentes imprescindibles (García & González, 2020), los honorarios del instalador, los costos de permisos y cualquier otro costo asociado con la implementación del sistema.
Con el respectivo estudio técnico (Cadenas & Díaz, 2018) se determina los equipos para implementar el proyecto fotovoltaico en beneficio del usuario, se detallan en la Tabla III. La continuidad del suministro de electricidad del usuario está garantizada con la interconexión del sistema a la red de distribución con la utilización del medidor bidireccional para su balance de energía neto mensual.
Al realizar los flujos de caja para la empresa los ingresos totales considerados para el siguiente proyecto es el valor de $1.211,58 que es el total del valor anual 2022 pagado por consumo eléctrico del usuario comercial. Se determina el 100% o ingreso total porque la implementación del presente proyecto está dimensionada para abastecer el consumo mensual de la demanda requerida por el usuario con 12 horas de utilización a plena carga. (Calderón & Quijano, 2019).
Los egresos totales consideran el costo por mantenimiento menor que se realizará al sistema por dos ocasiones al año como se muestra en la Tabla IV. El mantenimiento se lo toma en cuenta para mantener la eficiencia de los paneles solares, debido a que se mantendrán en la intemperie.
La Tabla V, se muestra el flujo de caja detallado del ahorro anual bruto de 815,58 dólares que se obtendría al implementar el sistema solar fotovoltaico conectado a la red de distribución a partir del ahorro anual $1211,58 menos el costo por mantenimiento de $396.
Tabla III
Inversión inicial proyecto
|
Ítem |
Descripción |
Unidad |
Cantidad |
Costo Unitario [$] |
Total |
|
1 |
Módulo FV / Blueson BSM340P-72 |
EA |
18 |
93,80 |
1688,40 |
|
2 |
Inversor VDC-VAC / SMA-SunnyBoy-SB-6000U/600Vdc-240Vac |
EA |
1 |
360,00 |
360,00 |
|
3 |
Medidor Bidireccional / Three Phase HTCT Multi-port meter ER300P |
EA |
1 |
389,00 |
389,00 |
|
4 |
Sistema de soporte (racks) |
GLB |
1 |
1000,00 |
1000,00 |
|
5 |
Cableado |
M |
200 |
0,45 |
90,00 |
|
6 |
Conectores |
EA |
40 |
1,50 |
60,00 |
|
7 |
Sistema a tierra |
GLB |
1 |
300,00 |
300,00 |
|
8 |
Caja e interruptor(es) CD |
EA |
1 |
278,00 |
278,00 |
|
9 |
Caja e interruptor(es) CA |
EA |
1 |
185,00 |
185,00 |
|
10 |
Flete |
GLB |
1 |
80,00 |
80,00 |
|
11 |
Mano de obra 30% |
1329,12 |
|||
|
Total Inversión Inicial |
5759,52 |
||||
Tabla IV
Costos por mantenimiento
|
Ítem |
Descripción |
Cantidad |
Costo Unitario [$] |
Total |
|
1 |
Equipo de limpieza |
2 |
$ 100,00 |
$ 200,00 |
|
2 |
Herramientas menores |
2 |
$ 40,00 |
$ 80,00 |
|
3 |
Mano de obra |
2 |
$ 25,00 |
$ 50,00 |
|
4 |
Indirectos (20%) |
2 |
$ 33,00 |
$ 66,00 |
|
Costo Total Por Mantenimiento Anual |
$ 396,00 |
|||
Tabla V
Flujo de efectivo por años
|
Periodo (años) |
Ingresos Totales |
Gastos Totales |
Beneficio Bruto |
|
1 a 5 |
$ 6.057,90 |
$ 1.980,00 |
$ 4.077,90 |
|
6 a 10 |
$ 6.057,90 |
$ 1.980,00 |
$ 4.077,90 |
|
11 a 15 |
$ 6.057,90 |
$ 1.980,00 |
$ 4.077,90 |
|
16 a 20 |
$ 6.057,90 |
$ 1.980,00 |
$ 4.077,90 |
|
120 a 25 |
$ 6.057,90 |
$ 1.980,00 |
$ 4.077,90 |
Recuperación de la Inversión
El presente proyecto es económicamente rentable porque se garantiza que la recuperación de la inversión es en 4,75 años, esto resulta favorable para los propietarios siendo el tiempo de vida útil del sistema fotovoltaico de 25 años, pudiendo aprovecharlo por aproximadamente 20 años, después de haber recuperado la inversión. Además de los ahorros que genera, la implementación del sistema puede ser canalizada en otros ámbitos como actualización de equipos o marketing.(Unidad de Planeación Minero Energetica, 2007)
La recuperación simple de la inversión muestra el tiempo en años en los cuales se recupera el dinero invertido, tomando en cuenta la inversión inicial y el ahorro anual.
Costo Inicial = Inversión Inicial
El ahorro anual está determinado por la suma de los costos de los consumos de cada mes de año analizado.
Ahorro Anual = Costo Consumo Año 2022
Ahorro Anual = $100,97 * 12 meses
Ahorro Anual Neto = Ahorro Anual – Costos por Mantenimiento
Ahorro Anual Neto = $1.211,58 - $396
Ahorro Anual Neto = $ 815,58
Al realizar los cálculos se obtiene la recuperación de la Inversión
La tasa interna de retorno de la implementación del sistema fotovoltaico para el usuario es el presentado en la Tabla VI.
Tabla VI
Datos tasa interna de retorno
|
Inversión Inicial (I) |
$5.759,52 |
|
Ahorro Anual Neto (A) |
$ 815,58 |
|
Tiempo de Vida (n) |
25 años |
|
Valor presente (VP) |
0 |
La tasa interna de retorno para la implementación del sistema fotovoltaico en la empresa es del 13,57%.
Esquema de Conexión para Implementación
Se determina cómo se conectará el sistema fotovoltaico a la red de distribución de energía eléctrica (Masood & Ali & Ahmad, 2019) de la compañía proveedora de electricidad. En la Fig. 2, se puede apreciar el diagrama unifilar de la instalación del sistema fotovoltaico, considerando el equipamiento de la Tabla III y las especificaciones del sistema detalladas en la Tabla II.
Tabla VII
Radiación solar
|
Mes |
Tbs Promedio (°C) |
Radiación Horizontal Total |
Horas de Insolación |
Días continuos sin sol |
|
Ene |
21,2 |
6,8 |
12,2 |
5,08 |
|
Feb |
20,6 |
7,0 |
12,2 |
3,57 |
|
Mar |
20,6 |
6,8 |
12,1 |
3,97 |
|
Abr |
20,8 |
6,5 |
12,1 |
3,68 |
|
May |
20,9 |
6,1 |
12,1 |
5,26 |
|
Jun |
20,8 |
5,9 |
12,0 |
5,39 |
|
Jul |
21,2 |
6,0 |
12,1 |
4,47 |
|
Ago |
21,9 |
6,5 |
12,1 |
5,15 |
|
Sep |
22,4 |
6,8 |
12,1 |
5,13 |
|
Oct |
22,3 |
6,9 |
12,2 |
4,91 |
|
Nov |
22,2 |
6,7 |
12,2 |
4,70 |
|
Dic |
22,0 |
6,6 |
12,2 |
5,83 |
|
|
Earth Skin Temp |
Clear sky insolation incident on a horizontal |
Dayligth hours |
Equivalent Number of NO-SUN |
Estimación de la Producción Mensual
En esta etapa, se lleva a cabo un cálculo para estimar la cantidad de energía eléctrica que se espera generar a través del sistema fotovoltaico cada mes (SolarPower Europe,2020) y (SolarPower Europe, 2021), ubicado en la ciudad de Guaranda, los datos de radiación solar estimada en el año 2022, están presentados en la Tabla VII a partir de las coordenadas y altitud de las instalaciones del usuario: Latitud:-1,5893 °N, Longitud:-79,0003 °O, Altitud: 1309,15 m
Este cálculo se basa en una serie de factores, como la capacidad de los paneles solares, la cantidad de horas de sol en la región (Delgado & Torres, 2020) donde se instalará el sistema (Criollo, 2019), la inclinación y orientación de los paneles solares (Fernández & Serrano, 2019), y cualquier posible obstrucción (Fiallos & Ortega, 2018) que pueda afectar la producción de energía, como sombras o edificios cercanos (González & González, 2019), que se encuentran en la Fig. 3.
Factibilidad Técnica y Económica
En la factibilidad técnica (Prado & Montealegre, 2016) se evaluó la capacidad del sistema fotovoltaico para cumplir con los requisitos de energía eléctrica del usuario, teniendo en cuenta factores como el tamaño del sistema, la capacidad de los componentes y la viabilidad (Pino & Vargas, 2019) del sitio de instalación. Por otra parte, el análisis económico realizado para determinar si la inversión en el sistema fotovoltaico involucrando al usuario es viable (González-León & Torres & Serrano & Rodríguez-Alejandro & González-Cabrera, 2018) desde un punto de vista financiero (López & García, 2019).
En la Tabla VIII, se muestra los meses con la diferencia negativa son aquellos en los que la producción fotovoltaica no abastece las necesidades del usuario, mientras que en los meses con valores positivos se tiene excedentes en la producción fotovoltaica que brindarán un promedio de entrega a la red (Luna-Rivera & López-Lezama & Ochoa-Gutiérrez, 2020) anual de aproximadamente 884 kWh.
Con el consumo mensual del usuario y proyección de la producción del sistema solar fotovoltaico (Barrientos & Moreno, 2021), se puede evidenciar que la mayoría de meses se generará un importante ahorro económico y se suministraría energía interconectada a la red eléctrica durante gran parte del año (Suárez & Guzmán, 2021). En los meses en los cuales no se cubre la demanda de energía, el usuario completará la demanda con energía tomada desde la red eléctrica de distribución, que luego se reflejará en la factura como energía consumida desde la red de distribución en el periodo mensual según lo plantea la Regulación ARCERNNR 01/2021.
Adicionalmente, en los meses de mayor producción del Sistema de Generación Distribuida para Autoabastecimiento, la energía excedente será inyectada a la red de distribución y la empresa distribuidora del servicio eléctrico acumulará la energía en su base de créditos a nombre del consumidor que luego puede ser utilizado para compensación en los meses en los cuales la producción de energía no satisface la demanda del usuario.
Figura II
Diagrama unifilar a implementarse
Figura III
Producción Promedio Mensual del Sistema Fotovoltaico
Tabla VIII
Histórico consumo vs producción sistema fotovoltaico
|
Año-Mes Emisión |
Consumo (kWh) |
Producción FV (kWh) |
Diferencia (kWh) |
|
ene-22 |
714 |
935 |
221 |
|
feb-22 |
660 |
868 |
208 |
|
mar-22 |
701 |
937 |
236 |
|
abr-22 |
669 |
868 |
199 |
|
may-22 |
720 |
846 |
126 |
|
jun-22 |
693 |
793 |
100 |
|
jul-22 |
778 |
835 |
57 |
|
ago-22 |
901 |
898 |
-3 |
|
sep-22 |
973 |
896 |
-77 |
|
oct-22 |
890 |
940 |
50 |
|
nov-22 |
1020 |
886 |
-134 |
|
dic-22 |
987 |
907 |
-80 |
|
Promedio |
808,833 |
884,08 |
|
Es importante recalcar, que la regulación No. ARCERNNR-001/2021 se busca aumentar la iniciativa de promover la utilización de sistemas solares fotovoltaicos conectados a la red de distribución, reduciendo la facturación eléctrica hasta un 90 % del valor promedio. Así mismo, aunque no está dentro del alcance de este trabajo, para una segunda etapa se debería involucrar al usuario de viviendas inteligentes de consumo sostenible. En el cual, el usuario se considera usuario residencial con casa automatizadas altamente dependientes de la energía eléctrica.
IV. Conclusiones
Con el dimensionamiento del sistema de microgeneración fotovoltaica < 1MW para sistemas de generación distribuida para autoabastecimiento se determina que el arreglo de paneles fotovoltaicos, nueve en serie y dos en paralelo; genera una potencia promedio en la superficie inclinada de 884 kWh al mes en las coordenadas aplicadas a la investigación en la ciudad de Guaranda, lo que permitirá abastecer la carga del usuario al menos 8 meses al año y en ciertos meses obtener excedentes que generarán créditos en la empresa distribuidora a favor del usuario.
Con la aplicación del análisis de la tasa interna de retorno (TIR) desarrollada en los estudios para la implementación de este proyecto se precisa que su valor 13,57%, tomando en cuenta lo que se menciona en la regulación Nro. ARCERNNR-001/2021, que el proyecto con sistemas fotovoltaicos tiene una vida útil de 25 años, por lo que, se determina que la implementación del sistema de microgeneración fotovoltaica es viable técnica y económicamente, debido a que con la inversión inicial requerida para la implementación de $5759,52, la misma que será recuperada aproximadamente al cabo de los 4,75 años mientras se mantenga los niveles de consumo del usuario.
V. Agradecimiento
A Twister Ice Cream por colaborar con datos relevantes para el desarrollo del presente trabajo investigativo.
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