Las aplicaciones fotovoltaicas conectadas a la red en México

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Dr. Jorge Huacuz. Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). México …

Dr. Jorge Huacuz. Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). México
XVII Simposio Peruano de Energia Solar
IV Conferencia Latinoamericana de Energía Solar
Blog: solucionessolares.blogspot.com

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  • 1. Taller Internacional sobre Generación Distribuida con Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red Cusco, Perú, Noviembre 2, 2010 Sistemas FotovoltaicosConectados a Red en México:Situación Actual y Perspectivas Jorge M Huacuz Unidad de Energías No Convencionales Instituto de Investigaciones Eléctricas Cuernavaca, México jhuacuz@iie.org.mx
  • 2. El Sistema Eléctrico Mexicano • Una empresa eléctrica estatal,CFE Sistema Nacional de Transmisión y Distribución • Otros actores:  Productores independientes  Auto-abastecedores  Co-generadores  Pequeños generadores  Exportadores • Más de 55 GW de capacidad instalada • Demanda crece al 5% por año Tipo de CombustibleCombustible fósil Hidroelectricidad Nuclear Geotermia Viento • Mayor capacidad requerida para los próximos años • 76.5% generado con combustibles fósiles • Muy baja participación de las energías renovables no convencionales
  • 3. Motivación para la Línea de I+D 1000 COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA: ZONA MEXICALI (DIA TIPICO) Horario punta: 12 a 18:00 hrs • Sistema BC no conectado a 900 la red nacional; generación 800 700 con gas importado 600 Demanda • Demanda eléctrica enMVA Máx: 16:30 hrs 500 400 300 verano 2-3 veces mayor 200 100 que en invierno por uso de 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 aire acondicionado HORA Verano Invierno • Consecuencias: Consumo de energía de un usuario de tarifa DAC en Mexicali vs producción FV  Menor eficiencia termodinámica de centrales 6,000 generadoras 5,000 4,000  Exceso de capacidad en kW h /m es 3,000 invierno 2,000 1,000  Mayores inversiones en - ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC subsistema de distribución Mes  Mayores costos de Demanda de energía Energía consumida en horario FV Prod. FV 6 kWe mantenimiento
  • 4. La energía solar como solución • Disponible en todo el territorio • Altos valores de insolación (Promedio diario anual: 5.5 kWh/m2) • Coincidente con regiones de alta demanda por aire acondicionado • Muy pocas aplicaciones  Fuera de red: ~20 MW  Conectada a red: apenas iniciando
  • 5. CONFIGURACIÓN BÁSICA DEL SISTEMA Generador FV Inversor FVCargasEléctricas Medidor Bidireccional Red Eléctrica
  • 6. Las Primeras Experiencias Año Localidad Objetivo Potencia Pico Situación (kW) Actual 1997-1999 Cuernavaca Investigación del sistema 1.7 Desmantelado IIE 1999-2000 Mexicali Prueba de concepto 1.5 Desmantelado IIE-CFE autogeneración 2000- 2006 Mexicali 4 sistemas: evaluar beneficios a 1.5 – 2 kW cada uno Desmantelado IIE-CFE red y a usuarios; probar tecnologías 2001- 2006 Hermosillo Prueba de concepto 1.5 Desmantelado IIE-CFE autogeneración2002- a la fecha Nuevo León Prueba de concepto 1 En operación IIE-IP autogeneración institucional2005-a la fecha Ciudad de México Prueba piloto autogeneración 30 En operación IIE-LFC-IP comercial2006-a la fecha La Paz, BCS Prueba piloto usuario DAC 6.5 En operación IIE-CFE-IP2006-a la fecha Mexicali Primer vecindario FV en México 220 casas, 1kW c/u En operaciónGob.BC-CFE-IIE 2008 Tijuana, Contratos comerciales con ~10, 1-2 kW c/u En operación Usuarios Guadalajara medición neta domiciliarios Región Laguna
  • 7. Proyectos Piloto Período 1997 - 20021 2 1. Cuernavaca (IIE) 2. Mexicali 3. Hermosillo 4. Monterrey3 4
  • 8. Instalaciones piloto-demostrativas Casa 2 CIS1 SIP4 Casa 1 Casa 2 Casa 3 Casa 4 Potencia promedio demandada en el transformador de distribución: Mexicali 22 110 20 100 18 90Potencia real y reactiva (Kw - Kvars) Temperatura (ºC) y F.P. (%) 16 80 14 70 12 60 10 50 8 40 6 30 4 20 2 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 SEPTIEMBRE 2001 (Promedio Mensual) Pot. real Pot. reactiva Potencia estimada sin FV (Ref .) Temp. en el transf . Factor de potencia
  • 9. Beneficios Derivados Efecto de Nivelación de Carga en la Vivienda (Agosto 1999) 4500 45 4000 40 Beneficios al usuario: 3500 35 3000 30 •Menor consumo de red Reducción de demanda pico •Tarifas eléctricas más bajas Temperatura (ºC)Demanda (Watts) 2500 25 2000 20 1500 15 •Sombreado de la vivienda 1000 10 500 5 Inyección a red en la vivienda (Promedio mensual) 0 0 3500 45 -500 -5 3000 40 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 00 Hora 2500 35 Demanda Promedio a la Red con FV Aportación FV Promedio Demanda Promedio de la Vivienda Temperatura Ambiente Promedio 2000 30 Demanda (Watts) Beneficio al sistema: 1500 25 •Alivio de la red 1000 20 •Menores costos de mantenimiento 500 15 0 10 •Menores inversiones en capacidad Inyección a red -500 5 •Menores pérdidas por transmisión y distribución -1000 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 AGOSTO 2001 •Menores pérdidas por ineficiencia Demanda con FV Aportación FV Demanda en la vivienda Temperatura Ambiente termodinámica
  • 10. Proyecto Valle de las Misiones, Mexicali, BC.• Proyecto piloto iniciado en 2006• Primera fase: 220 casas con 1 kW FV c/u• Evaluación en curso: Desempeño técnico Beneficios económicos al usuario Beneficios técnicos a red Estudios de máxima penetración Beneficios al sistema eléctrico
  • 11. Beneficio Económico al Usuario Ejemplo 1 ENERGIA GENERADA POR EL PANEL SOLAR = 158KWH SFVI en Mexicali, B.C. ENERGIA ENTREGADA A CFE = 63 KWH ENERGIA ENTREGADA POR CFE = 311 KWH ENERGIA FACTURADA = 311 – 63 = 248 KWH ENERGIA CONSUMIDA REAL = 311 + 158 – 63 = 406 KWH IMPORTE POR 248 KWH = $ 242.32 IMPORTE POR 406 KWH = $ 609.29 158 KWH BENEFICIO = $ 366.97 BOLSA DE ENERGIA = 0 KWH63 KWH 311 KWH
  • 12. Beneficio Económico al Usuario Ejemplo 2 ENERGIA GENERADA POR EL PANEL SOLAR = 170 KWH ENERGIA ENTREGADA A CFE = 129 KWH ENERGIA ENTREGADA POR CFE = 87 KWH ENERGIA FACTURADA = 87 – 129 = 0 KWH ENERGIA CONSUMIDA REAL = 87 + 170 – 129 = 128 KWH IMPORTE POR 0 KWH = $ 15.52 IMPORTE POR 128 KWH = $ 85.53 BENEFICIO = $ 70.01 170 KWH BOLSA DE ENERGIA = 42 KWH129 KWH 87 KWH
  • 13. 6 kWp La Paz, Baja California Si el consumidor genera localmente parte importante Sur de lo que demanda para no ser clasificado como un usuario DAC, la energía que produce localmente tiene un doble valor económico:• Continuación en la tarifa normal de servicio doméstico correspondiente 1D (costo bajo); y• Toda la energía generada localmente sustituye la energía más cara para el usuario (tarifa DAC) Generador fotovoltaico en la 6 kWp azotea de la vivienda. Tarifa CFE aplicable de 1D (localidades con una T media mínima en verano de 31ºC. Límite DAC de 1,000 kWh/mes (precio más alto)
  • 14. 6 kWp La Paz, Baja California SurDesempeño del SFVI en función de la irradiación Reducción de la demanda de electricidad a la CFE (Verano del 2008 )La energía producida (10,074 kWh ) representa el 41% del total consumido en la vivienda(24,463 kWh); este ahorro de electricidad en tarifa DAC generó un ahorro anual –en lafacturación- de $28,000.00 M.N. Aprox. El usuario pagó el 59% del monto de la facturaciónque hubiese tenido si toda la electricidad utilizada en la vivienda la demandara de CFE.
  • 15. Aplicaciones en Comercios  Primer sistema FV trifásico interconectado a la red de distribución.  Capacidad: 30.6 kW  InstalacIón a finales de 2005.  Instrumentado en mayo de 2006 para caracterizar su operación y evaluar su desempeño e interacción con la red
  • 16. Sistema de acondicionamiento de potencia(2) Inversorestrifásicos Xantrex de15 KW (2) Transformadores de aislamiento Delta-Estrella
  • 17. Resultados operacionales en “The Green Corner” Junio 2006- Mayo 2007Datos del Generador Fotovoltaico Potencia Máxima RegistradaPotencia Nominal [kWp] 30.6 Potencia Máxima de Salida [W] 23551.7Área del Generador [m2] 263.41 Día 288.0Tipo de Módulos Si cristalino Hora 1140Ángulo de Inclinación del Arreglo 19º Irradiancia W/m2 1077.4 ºAzimut 0º Temperatura Ambiente [ C] 20.7 º Temperatura de los Módulos [ C] 45.0Datos del Inversor Producción Normalizada / PérdidasPotencia Nominal [kW] 15 Producción de Referencia [kWh/m2] 1733.4Voltaje de Entrada [VCD] 408-521 Producción Generador FV [kWh/kWp] 1170.5Datos Climatológicos Producción Final de la Planta [kWh/kWp] 971.7Irradiación en el Plano del Arreglo [kWh/m 2] 1733.4 Pérdidas por Paro Forzado [kWh/m2] 55.3Irradiación Diaria Promedio [kWh/m 2-día] 4.7 Pérdidas de Captación [kWh/kWp] 507.6 Pérdidas Acond. de Potencia [kWh/kWp] 198.8Irradiación Total (P. Arreglo) [kWh] 456603.4Temperatura Ambiente Promedio [ºC] 17.8 Eficiencia Promedio ºTemperatura de Módulos Promedio [ C] 21.9 Eficiencia del Generador FV 8.1%Balances de Energía Eficiencia Sist. Acond. Pot. 82.9%Energía Producida por el Arreglo FV [kWh] 35818.3 Eficiencia de la Planta 6.7%Energía Entregada por el Sistema [kWh] 29733.6 Otros Índices de DesempeñoEnergía Entregada a CFE [kWh] 7111.0 Tiempo de Paro [Hrs.] 129.17Energía Consumida de CFE [kWh] 72501.9 Disponibilidad de la Planta 97.1%Consumo en el Inmueble [kWh] 95124.5 Relación de Desempeño 54.5% Factor de Planta 11.1%
  • 18. Resultados operacionales en The Green Corner Datos climatológicos Reducción de la demanda en el inmueble (junio, 2006) D sclim lo os ato ato gic 20000 30 180 45 160 40 140 35 15000 24Irradiación (KWh/m2) 120 30 D e m a n d a ( W a tts ) 100 25 10000 18 80 20 60 15 5000 12 260.6 kWh/día 40 10 20 5 0 6 0 0 EE N FB E MAR ABR MAY JUN JUL AGO SP E OT C NV O DC I -5000 0 2007 2006 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Irradia ne e p od Arre (K h 2 cio n l lan el glo W /m ) T pe em raturaAm nteP ed bie rom io T pe radelos m du F prom o em ratu ó los V edi JUNIO 2006 Demanda con FV Aportación FV Demanda en el inmueble Temperatura Ambiente De la irradiación captada en el plano del arreglo FV El 31.2% del total de la energía utilizada en el (1,733 kWh/m2.año), el 63.8% de ésta se captó con inmueble fue proporcionada por el SFVI. valores de irradiancia entre 550 y 900 W/m2.
  • 19. 174kW; Wal-Mart de México (Aguascalientes, AGS. 2009)• 1,056 MFV que ocupan el techo de la tiendaAurrerá (2, 173.5 m2).• El SFV generará 265,641 kWh/año; el 20% de laenergía que la tienda requiere anualmente.• Se evitará la emisión de 140 toneladas de CO2 alambiente.• 2 millones de USD• Desarrollado por G3 Servicios Ambientales GFV en la azotea de la tienda. MFV de empresa alemana Aleo Solar AG. G3 está a cargo del financiamiento, la instalación y la operación así como del mantenimiento posterior.
  • 20. 60 kWp UAM-I, México DF• Potencia Nominal: 60 kWp• Número de Módulos FV: 286• Número de Inversores : 21• Potencia Unitaria: 210 Wp• Inclinación: 19°• Orientación: Sur Magnético
  • 21. Sistema Institucional 60 kWp UAM-I, México DF Cuarto de Inversores (antes) Cuarto de Inversores Contribución FV en eléctrica Patrón de demanda Edificio de Oficinas 100 90 Sin generación FV 80Demanda (kW) 70 60 50 40 30 Con generación FV 20 10 0 19:45 22:45 20:30 21:15 22:00 23:30 05:30 07:45 12:15 13:45 15:15 16:00 16:45 17:30 18:15 19:00 00:15 01:00 01:45 02:30 03:15 04:00 04:45 06:15 07:00 08:30 09:15 10:00 10:45 11:30 13:00 14:30 Hora del día Actual Aportación del SFVI Con un SFVI de 60 kWp Estructura para la instalación de Módulos FV
  • 22. Estudio de Penetración a Red Hasta 800 MW Miguel Imperial Valley 1. Central Ciclo Combinado Mexicali 5 (InterGen, L Rosita) PIE: 489 MW a6 4 (autorizados 597 MW) Zona 1 Exportación: hasta 636 MW Zona 2. Central geotérmica Cerro Prieto Costa 3 Valle (CFE) 720 MW 3. Central turbogás Mexicali (CFE) Hasta 62 MW 520 MW 7 4. Termoeléctrica de Mexicali (SEMPRA) Exportación: 625 MW, 2 autorizados 680 MW 5. Centra eólica L Rumorosa 10 a MW (autoabastecimiento, CEE de BC, 2010) 6. Central Presidente J uárez (TC/ CC/ TG, CFE) 1026 MW 7. Turbogás Ciprés (CFE) 28 MW
  • 23. Estudio de Penetración a RedGeneración FV máxima permisible en Mexicali para condiciones de carga del 2007 Días Crítíticos
  • 24. Estudios de Penetración Penetración máxima permisible de SFVI en Mexicali Escenario bajo Escenario medio Escenario alto Máximos permisibles 2010 2017 2010 2017 2010 2017Capacidad FV interconectada máxima 81 323 98 399 118 469permisible, MWMétricas de penetraciónPenetración instantánea pico 14.0% 43.8% 16.7% 50.2% 19.6% 55.0%Penetración relativa a la carga pico 5.1% 16.1% 6.1% 18.5% 7.1% 20.3%Penetración relativa a la capacidad total 6.2% 24.6% 7.5% 30.4% 9.0% 35.7%Penetración energética 2.3% 7.1% 2.7% 8.1% 3.2% 8.9%
  • 25. Otras Iniciativas en Curso Foto Red 100 Vecindario FV •Seguimiento del estado físico y• Iniciativa CFE para incorporar 100 operativo de los sistemasMW de SFV a la red del Sistema • Evaluación del grado deBaja California satisfacción de los usuarios y evolución de patrones de consumo• Estudios preparatorios en proceso eléctrico •Análisis de beneficios para Especificaciones usuarios y red Técnicas CFE Identificación y Remoción de Oportunidades en Barreras (GEF-PNUD) Regiones No Críticas Cursos de diplomado en SFV para: • Ingenieros de CFE-Distribución• Analizar oportunidades y barreras • Profesores Universitariospara la aplicación de SFV conectadosa red en regiones de clima no • Personal de empresasextremo Talleres y conferencias Material promocional
  • 26. Perspectivas• Nichos actuales:  Consumidores doméstico de tarifa alta  Pequeñas aplicaciones comerciales (hasta 500 kW)  Edificios gubernamentales e institucionales  Vivienda nueva• Prospectos futuros:  Aplicaciones comerciales grandes  Electricidad para exportación  Soporte de red  Eliminación de picos estacionales/regionales  Alivio al sistema eléctrico
  • 27. Pros y Contras Los Impulsores  Las Barreras  Tarifas eléctricas crecientes × Desconocimiento generalizado de  Buen recurso solar la tecnología  Medición neta para usuarios × Altos requerimientos de inversión domiciliarios y pequeños × Primas e incentivos económicos comercios OK fuera de posibilidad  Contrato de interconexión a × Ventas directas a CFE con base red para grandes en $/kWh, no competitivas autoabastecedores OK × La generación distribuida, en  Depreciación acelerada para contra del paradigma “lo más inversiones amigables con el grande es mejor” ambiente × Cadenas de valor pendientes de  Cero impuestos de implementar en la economía importación para equipo nacional amigable con el ambiente × Disponibilidad de petróleo, “freno  Nueva Ley para el mental” para el cambio Aprovechamiento de las × Carencia de personal técnico Energías Renovables calificado para la identificación y  “Tech apeal” desarrollo de proyectos
  • 28. ¿Qué Falta por Hacer?• Cuantificar los nichos de oportunidad para la implantación masiva de los sistemas FV• Crear la infraestructura operativa para el soporte de las actividades de implantación comercial y masiva de los sistemas FV• Elaborar y emitir normas y reglamentos técnicos para certificación de equipos e instalaciones interconectadas a red• Definir estrategias y crear mecanismos para el financiamiento de los sistemas• Crear las cadenas de valor para que los beneficios de la implantación masiva se queden en México• Formar recursos humanos especializados en el tema
  • 29. Evolución del Inversor Fotovoltaico Espiga I IIE Estado Inversor FV de 1 KVA Actual Avance Ajustes, Pruebas Piloto yPendiente Desarrollo de Interfaz Gráfica Inversor FV de 1 KVA Prototipo Prototipo Electrónico Industrial Industrial Rumbo al • Desarrollo del gabinete Prototipo • Pruebas en campo y certificación comercial Producto Comercial Licenciar la tecnología desarrollada Empresa
  • 30. Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE)www.iie.org.mxjhuacuz@iie.org.mx Gracias.....