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Negavatiosapartirdelaincorporaciónmasivadepanelessolarestérmicos

Autores:NicolásCastromán‐ErnestoElenter‐DanielLarrosa

Docente:RubenChaer

InstitutodeIngenieríaEléctrica–FING

Juliode2011

Montevideo‐Uruguay

IMPORTANTE: Este trabajo se realizó en el marco del curso Simulación de Sistemas de Energía Eléctrica (SimSEE) y fue evaluado por el enfoque metodológico, la pericia en la utilización de las herramientas adquiridas en el curso para la resolución del estudio y por la claridad de exposición de los resultados obtenidos. Se quiere dejar expresamente claro que no es relevante a los efectos del curso la veracidad de las hipótesis asumidas por los estudiante y consecuentemente la exactitud o aplicabilidad de los resultados.

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1. Introducción

LoscostosdeabastecimientodeUruguayenlosúltimos7añoshansidorelativamentealtos,loquesereflejaenunaltocostomarginal,yviéndoseforzadoaimportarenergíaeléctricaconpocacapacidaddenegociación.Paraevitarestasituaciónenelfuturonuestropaísincorporóasuestrategiaenergéticaunconjuntodesolucionesquetantoapuntanaincrementarlaofertacomoareducirlademanda.Entrelasúltimasseencuentralareduccióndelconsumodeenergíaeléctrica,atravésdemedidasdeeficienciaenergéticas.Unadeellas,consisteenelaprovechamientodelaenergíasolarparaelcalentamientodeagua.Esaactividadrepresentael37.2%delusoresidencialdeenergíaeléctricaennuestropaís.,deacuerdoBALANCENACIONALENENERGÍAÚTILDEURUGUAY2006.1

EstetrabajoanalizaprimariamenteyconlaslimitantesqueseexpondránlaincorporacióndeestatecnologíaenlamatrizenergéticadelUruguay,enelmarcodelaprendizajedelaPlataformadeSimulacióndeSistemasdeEnergíaEléctrica SimSEE.

2. NegavatiosNEGAVATIOS,sonlosMegavatiosretiradosdelademandadeunsistemaeléctricoporlaincorporacióndemedidasde:

• EFICIENCIAENERGÉTICA• ENERGÍASRENOVABLES

Diversosestudiossostienenqueesmasbaratoahorrarenergíaquegenerarla.Porejemplo,elBIDreportóen2008que:“SiUruguaymejorarasueficienciaenergéticaenun10%enelcursodelospróximos10años,ahorraríaelequivalentea1,020GWhdeelectricidadporañoen2018.Elcostoparalograreseniveldeeficiencia(basadoeninversionesenlámparasymotoreseficientes,entreotrasmedidas)seríaaproximadamenteUS$120millonesenesemismoperíodo(endólaresde2008).Enbasealospreciosactuales,costaríaaproximadamenteUS$380millonessólolaconstruccióndeplantas(degeneraciónconvencional),sincontarloscostos

1 “Estudios de base para el diseño de estrategias y políticas energéticas: relevamiento de consumos de energía sectoriales en términos de energía útil a nivel nacional” Montevideo, 7 de Julio de 2009. BALANCE NACIONAL EN ENERGÍA ÚTIL DE URUGUAY 2006

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operacionalesyelcombustible.Dichodeotraforma,Uruguaytienedosalternativasparagenerar1.020GWhdeelectricidaden2018:unacuestaUS$120millones,ylaotraUS$380millones.”

3. EnergíaSolarEnlossiguientesgráficospuedeobservarselairradianciamediadiariasegúnubicacióngeográficaylavariaciónquelamismatienealolargodeldíaparaundíatipo.Esevidenteademásquelanubosidadimponeunaimportantealeatoriedadalrecurso.

LairradianciamediaanualenMontevideoasciendea4,1kWh/m2‐día.Paraelpresenteestudio,setomaunvalorponderadoporpoblaciónde4,23kWh/m2‐día.

4. Panelessolarestérmicos

Lospanelesocolectoressolares,sonlosdispositivosporloscualessecapturalaenergíasolaryselaconvierteenenergíatérmicaparaelcalentamientodeagua.Surendimientodependedeltipoycalidaddelcolector,yenmayormedidadeladiferenciadetemperaturaexistenteentreelaguaylatemperaturaambiente.

Aefectosdelpresentetrabajo,seestimóunrendimientocomplexivo(incluyendopérdidasdelpanelydelainstalación)de56%.

5. EficienciaEnergética

LosMWhnoconsumidosimplicanahorrodefuentesprimariasdeenergía,elprolongamientode la vida útil de las plantas generadoras (también la postergación de inversiones engeneración,transmisiónydistribución),y lanoemisióndegasesdeefecto invernadero.Asuvez,tienelaventajadeevitarpérdidasdeenergíaenelsistemadetrasmisión(t)ydistribución(d).EnUruguay,laspérdidastécnicasdet+dsondeun12%aproximadamente.Porlotantolaenergíaevitadaalinstalarpanelessolarestérmicos,involucra:

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• Laenergíadelospaneles• Laspérdidas(t+d).

6. Objetivodeltrabajo

Aprenderautilizarelsoftware SimSEEparaoptimizarunsistemaeléctricodesdeelpuntodevistadelcostodegeneración.Para ello se realiza un ejercicio de simulación de incorporación de paneles solares, con elobjetivode:

• Evaluar el ahorro en el CAD (costo de abastecimiento de la demanda) por lainstalaciónmasivadepanelessolarestérmicos.

• Comparardichoahorro,conlainversiónrequerida.

7. EscenariosSeevalúantresescenariosdeincorporacióndepaneles:ElescenarioSINPLANrepresentalaausenciadeinstalacióndepanelessolaresennuestropaís.

ElescenarioTENDENCIALrepresentalasituaciónde“BusinessasUsual”,dondelainstalaciónde paneles se realiza de acuerdo a un crecimiento del mercado de acuerdo al marcoregulatorio vigente, y al desarrollo esperado de las empresas fabricantes, importadoras einstaladorasdepanelessolares.ElescenarioALTOrepresentaunsaltodeescalaen la instalación,multiplicandocasipor6 lainstalaciónpromedioanual.Finalmente, el caso ALTO y RAPIDO es de la misma escala que el anterior pero implica eladelantamientodeinversiones.Elsiguientegráficomuestralaevolucióndelstockdecolectoresentrelosaños2012y2026:

Un panel estándar tiene un área de aproximadamente 2 m2, por lo que en el máximo decapacidadinstaladadelosescenariosALTOy,ALTOyRÁPIDO,seaspiraacubrirelequivalentea375.000hogaresoestablecimientos.

SINPLAN TENDENCIAL ALTO ALTOYRÁPIDO

Instalaciónpromedioanual

0m2 13.600 m2hasta2023

61.200 m2hasta2023

122.500 m2

hasta2017

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ElcostoporM2seestimaen$14.000instaladoeimpuestosincluidos,porloqueelcostofinaldeunpanelsolaresdeaproximadamenteU$1.500.Seguramente,laincorporaciónmasivadelosmismosbajetantoloscostosdecompracomolosdeinstalación.

8. Parámetrosdelasimulación

Se realizan 100 crónicas de simulación para el período 2012 al 2026, con paso semanal y 4postesdiarios.LaTasadeActualizaciónutilizada,tantoparalaactualizacióndelosCADcomode los costos de las inversiones es del 12%. El crecimiento de la demanda es de 3,04%acumulativoanual.Alparquegeneradoractual,seleagreganlassiguientesunidades:

Tipo Potencia Costovariable Régimendedespacho

Eólicos 620MW 90USD/MWh Autodespachada.Biomasa 80MW 90USD/MWh Autodespachada.Biomasa 120MW 100USD/MWh Convocable.CCagas 540MW 64USD/MWh Convocable.

LasVariablesAleatoriasaincluirson:

• Lluvias,• Preciodelpetróleo,• Vientos,• ModeladoscomoprocesosestocásticosutilizandounSintetizadorCEGH.

LaENERGÍASOLARdemodelaatravésdelSIMSOLAR,laseriederadiaciónsolaresperadade100 años a 50° (quemaximiza la Energía en Invierno). Se pondera la radiación existente enTacuarembó(25%),conzonametropolitanadeMontevideo(75%),reflejandounahipótesisdefuturasincorporacionesdepanelesconesadistribucióngeográfica.Estaradiaciónsolarestraducidaaenergíadiaria,atravésde:

• rendimientodelcolector(56%).• expandidosporel12%depérdidasdeT+D.

Esa energía diaria generada (kWh/m2 – día) se distribuye a lo largo del día, en base a laencuestarealizadaporUTE(1995)delacurvadecargadiariayestacionaldelusodecalefoneseléctricosenUruguay.DeestemodoseobtienelacurvadecargadelaDEMANDAELÉCTRICAEVITADA(NW),oloquees lo mismo, la GENERACIÓN VIRTUAL (MW) generada por la cantidad de paneles solarespresentesencadaaño.Conestainformación,secalculalosvaloresporpostehorarioyapartirdeellosserealizaunanálisisserialyseobtienelosparámetrosparaconstruirlaseriesintéticadegeneraciónsolartérmicaporpostededemanda.

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9. Resultadosobtenidos.a. Energía. En relación a la generación de energía, la introducción de los colectoressolaresarrojanlossiguientesresultados:Se presentan los resultados de generación de energía semanal para el escenario masivorápido:

Enprimerlugar,seobservaqueelmáximodeinstalaciones(generación)sedaenelcuatrienio2017‐2020.Ensegundolugar,ladispersióndelosvalorespareceríademasiadoalta.Porotrolado,losahorrosparalamáximacantidaddecolectoresdecadaescenarioson:

tendencial Altoaltoyrápido

%ahorrorespectoconsumo2010 1,8% 8,0% 8,1%

potenciamediaahorrada(MW) 19 85 87

Presentamostambiénlosresultadossobrelaenergíadefalla

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disminucióndelafallaprevistaal1%deexcedencia

año tendencial Alto Altoyrápido

2012 0% ‐1% ‐2%

2013 ‐1% ‐4% ‐7%

2014 ‐7% ‐23% ‐39%

2015 0% 0% 0%

2016 ‐4% ‐19% ‐48%

2017 ‐3% ‐11% ‐33%

2018 ‐16% ‐69% ‐100%

2019 ‐16% ‐66% ‐89%

2020 0% 0% 0%

2021 ‐7% ‐42% ‐71%

2022 ‐9% ‐35% ‐35%

2023 0% 0% 0%

2024 ‐1% ‐97% ‐91%

2025 ‐11% ‐44% ‐27%

2026 ‐16% ‐72% 0%

Todosdisminuyenconsiderablemente,perosobrevaloresdefalladepartidamuybajos.

b) Ahorroycostos.Pararealizar lacomparaciónentre losahorrosdelCADy la inversiónrequerida,secomienzaobteniendolosCADparacadaunodelosescenariosdefinidos:A continuación se muestra, para el período 2012 a 2026 el CAD en valor esperado, y conprobabilidadesdeexcedenciade5%y95%,enMMUSDactualizadosal12%,paraloscuatroescenarios:

s/p tendencial alto altoyrápidopromedio 5,0% 95,0% promedio 5,0% 95,0% promedio 5,0% 95,0% promedio 5,0% 95,0%

$4.603 $6.573 $3.500 $4.581 $6.525 $3.491 $4.512 $6.367 $3.461 $4.453 $6.235 $3.442

42,8% -46,8% 42,4% -46,5% 41,1% -45,6% 40,0% -44,8% Los resultados de ahorros operativos para el período 2012 al 2026 (con una tasa deactualizacióndel12%)sonlossiguientes:

En Millones deUSD s/p tendencial alto altoyrápido

s/p ‐ 22 91 150

tendencial ‐ ‐ 69 128

alto ‐ ‐ ‐ 59

altoyrápido ‐ ‐ ‐ ‐

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Mientrasqueelvaloractualdelasinversionesnecesarias,semuestraenelsiguientecuadro:

En Millones deUSD tendencial alto altoyrápido

VANdelainversión(enmillonesdeUSS) 61 267 349

La siguiente gráficamuestra los valores del CAD anual, y puede observase a simple vista ladisminucióndelriesgodecostosqueimplicalaincorporacióndelospanelessolarestérmicos.

Costo de Abastecimiento

200

350

500

650

800

950

1100

1250

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026AÑO

MU

S$

s/p promedio s/p 5% s/p 95% alto y rápido promedio alto y rápido 5% alto y rápido 95%

En efecto, en el año 2020 con elmáximo de colectores instalados el rango de variación decostosdisminuyeun30%.Estoes,paraelaño2020lavariacióndecostosentreelpercentil5%y95%esde261millonesenelcasoSinPlanyesde184enelcasoAltoyRápido.Loscostosdelpercentil 95% prácticamente no varían entre ambos casos pero los costos del percentil 5%(seco)varíadelentornode90millones(2017‐2020).

c) AhorroparaquienesinstalenunsistemadecolectoresensupropiedadPorotrolado,esnecesarioconsiderarquelosusuariosqueinstalenelcolectorsolar,evitaríanunporcentajemuyaltodesusrequerimientosdeenergíaparaACS(AguaCalienteSanitaria),ydadoqueesteconsumoesresponsabledeaproximadamenteel37%desuenergíaELÉCTRICA(sectorresidencial),lesreportaríaimportantesahorrosensufacturadeUTE,yrepagaríansuinversiónenaproximadamente3,5años.Amododeejemplo,evaluandoelpreciodelaenergíaevitadaenel2ºescalondelatarifaResidencialdeUTEa$4,94/kWh,cadahogarinvertiría$28.000,yahorraría$8580/año.Realizandoelflujodefondosa10años,elvalorActualnetodelainversiónesfrancamentepositivoyascenderíaVAN(12%)=$18286/hogar.Siserealizarán375.000instalaciones,ElproyectototalevidenciaríaunVAN=370MMUSDDe acuerdo a estos resultados, los beneficios del sistema eléctrico cuantificados solamente por losahorrosenlageneracióndeenergía(considerandopérdidas)seríandeUSD150millones.En tanto que los beneficios para los 375.000 usuarios de energía que instalen los paneles podríanestimarseenUSD370MMUSD.Elbeneficioparalasociedadseríalasumadeambosguarismos,esdecirUSD520millones.

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(Esteanálisisnoabarcatodalacomplejidaddeltema,yaquerestaanalizarbeneficiosadicionalesporpostergación de inversiones, y en contrapartida, las pérdidas de facturación y utilidad que legeneraríanaUTElareduccióndelvolumendeenergíavendido).

Vistodesdeotropuntodevista,losahorrosdeenergíapuedensercuantificadosdeacuerdoalsiguientecuadro

Valoractualdeloscostosevitadosporm2decolector

(USD)

basedecomparación tendencial alto altoyrápido

s/p $519 $522 $494

tendencial ‐‐‐‐‐‐‐‐ $393 $420

10. ConclusionesQuedademanifiestoque SimSEEesunaherramientavaliosaparaevaluarlosahorrosenelCAD,porlaimplantacióndeproyectosdeEficienciaEnergéticayEnergíasRenovables.Quedatambiéndemanifiestolaimportanciadelcabalconocimientodelashipótesissobrelasquesetrabaja,nuestrasconclusionesderivandeesashipótesis.Peroademáslaconvenienciadeunamedida tiene muchísimas más aristas que la reducción del CAD de un programa como elSIMSEE.Dichasconsideracionespuedenserpor: ser fuenteautóctona, ser fuente renovable,diversificaciónde fuentes,produccióndescentralizada, concienciadeuso racional yeficientede la energía, inversiones descentralizadas económica y espacialmente, creación demicro ymedianas empresas, efecto arrastre en la economía nacional, generación de tecnologíanacional,etc..Enelejerciciorealizado,separtededeterminadaexpansióndelageneración,queimplicalareduccióndel costomarginal del sistemapordebajode50US$/MWhmediante voluminosasinversionesengeneración,sinuestropaíslograeso,obviamentehaypocacosaparamejorar.Enesteplanlo“enterrado”,esdecirloscostoshundidos,generanloquesellamainerciadelascondicionesiniciales,poresoloviejoengeneralesmásbaratoquelonuevo,porqueloscostosqueobservaelmercadonocontienentodalainformación.Loqueesdestacableenestemarcoesqueigualmenteselogreunahorrodecostosoperativostansignificativosrespectoalainversiónrealizada,peseaesosvalorestanbajosdeloscostosmarginales,ademásselograunadisminuciónimportantedelosriesgosdecostosylosnivelesdefalladelsistema.Esteejercicioportanto,norespondelapreguntadesiesonoconvenientehacerlo porque supone como dadas muchas otras inversiones sin haber considerado loscolectoressolarestérmicos,cuandoenrealidadlainversiónencolectoressolaresespartedelasolución.SeobservaquelosahorrosdegeneracióndeenergíasonrelevantesypuedencontribuiralapuestaenmarchadeunprogramaapoyoporpartedeUTE,paralasustitucióndelconsumodecalentadores eléctricos por un sistema de calentamiento de agua con colectores solares.Realizando375,000instalaciones,selograríaunapotenciaevitadade87MWmedios.

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Para una interpretaciónmás completa de la relevancia de lamedida dentro del SIMSEE, esnecesarioanalizarel impactosobreelplande inversiones.Paraello, loscolectoresdeberíanentrar en la optimización del parque generador, y no ser agregados posteriormente a laoptimizacióndelparque,comosehizoenestetrabajo.Resulta llamativoquesedenalgunosresultadosalgocontradictorios,porun ladoseahorrancostosoperativosperoloscostosdeinversiónsonmayoresaesoahorros,loqueresultaríaquemirando el indicador del CAD esta inversión no se rentabilizaría si se hiciera como sistemaeléctricocentralizado,peroporotrolado,lainversiónpareceserrentableparalosusuariosdelsistemaeléctrico.Sinduda,estoespartedelosestudiosadicionalesquehacenfalta.Finalmente, conviene resaltar que se requieren estudios adicionales no abarcadas por elSIMSEE,paraevaluar(entreotrosaspectos)elahorroenloscostosdelsistemaeléctrico,porla incorporación de paneles solares, ya que se estarían difiriendo además inversiones enTrasmisiónyDistribución.