Comunicación presentada en el II Congreso Smart Grids:
Autor
- Pere Soria, Responsable del Área de Productos para Energías Renovables, CIRCUTOR
Resumen
Europa en general y España en particular han de hacer frente a una situación que no admite demora. La dependencia energética del exterior en un clima de escasez de recursos y volatilidad de costes energéticos. Por ello, la Directiva Europea 2010/31/UE Para la Eficiencia Energética introduce una medida estrella: los edificios de consumo casi cero. Aquellos edificios diseñados y operados bajo las mejores prácticas de ahorro energético y que tengan a su vez, los medios propios, para generar una parte importante de su consumo energético. Las instalaciones fotovoltaicas en régimen de autoconsumo serán, sin duda alguna un denominador común de estos edificios que empezaran a ser una realidad a partir del 2018. Oficinas, escuelas, hospitales, muchos edificios, presentan consumos diurnos ideales para que sean cubiertos de forma directa por la conversión instantánea de la radiación solar que reciben. En cambio, el sector residencial presenta perfiles de consumo con claro desplazamiento hacia el ocaso por lo que se requieren sistemas que permitan almacenar la energía durante unas horas para cubrir este desfase.
Introducción
La energía es uno de los principales vectores de desarrollo, su disponibilidad permite la implantación de multitud de actividades. Si grandes cantidades de energía son derivadas hacia algunas zonas densamente pobladas se pueden lograr niveles de confort y riqueza muy notables, pero, siempre a costa de un elevado peaje. La insostenibilidad.
Utilizar los recursos locales, aprovechar de cada unidad energética toda su capacidad, mediante diseños y procesos de elevada eficiencia puede permitir a la humanidad alcanzar niveles de bien estar sostenibles y ampliamente diseminados.
De ello ha tomado nota la Unión Europea y desde hace un par de décadas, la mitigación del cambio climático y la seguridad energética han sido dos de sus banderas a la hora de definir planes estratégicos y directivas que permitan a sus miembros desarrollar leyes en esta dirección.
La directiva sobre eficiencia energética en edificios, así como los objetivos en el horizonte del 2020 son claros exponentes de esta voluntad comunitaria. En esta Directiva se determina que en el año 2018 todos los nuevos edificios de uso público deberán ser Edificios de consumo casi nulo y en el 2020 todos los nuevos edificios tanto públicos como privados construidos en la Unión.
Para lograr un elevado grado de autosuficiencia los edificios deben instalar una potencia de autogeneración que les permita cubrir el máximo de su pico de consumo diurno y en caso de disponer de mayor capacidad instalar sistemas de acumulación que permiten almacenar los excedentes diurnos para su uso a lo largo de las horas de baja o nula radiación solar.
Además, estos edificios empiezan a albergar la necesidad de ofrecer cantidades extra de potencia y energía en forma de recarga de los vehículos eléctricos que movilizan a los residentes. Aunque incipiente, esta necesidad ha de ser tenida en cuenta en los nuevos proyectos ya que la actual ofensiva de los fabricantes con el lanzamiento de nuevos modelos va a ir generalizando su uso.
Descripción de la solución
La solución de autogeneración con energía solar será diferente en función del perfil de consumo del edificio.
- Edificios con consumo principal en horas diurnas. Oficinas, edificios comerciales, etc.
- Edificios con consumo estable a lo largo de las 24 h. Hospitales, centros de producción, etc.
- Edificios con consumo diferido a horas nocturnas. Residencial, etc.
En aquellos casos en los que el consumo coincida con la disponibilidad de generación solar, el sistema de autoconsumo será el más sencillo y económico ya que básicamente requiere de un campo de generación solar y de unos equipos de conversión o inversores con mayor o menor control sobre el flujo de energía producida en función de la legislación vigente en cada lugar.
En el resto de casos al sistema anterior habrá que añadir un sistema de acumulación, generalmente en forma de baterías electroquímicas. En estos casos la gestión de los flujos de energía del sistema es uno de los elementos clave para el buen funcionamiento de los equipos.
Los nuevos inversores de conexión a red y gestión de excedentes en baterías suponen un impulso hacia la normalización de este tipo de aplicaciones. De forma integral incorporan todos los elementos requeridos para este tipo de sistemas: Conversión DC/DC con seguimiento de punto de máxima potencia de módulos fotovoltaicos, conversión DC/DC adaptada al voltaje de baterías, conversión DC/AC sincronizable con la red eléctrica, dispositivos de transferencia de cargas para poder aislarse de la red y subministrar energía en caso de falla a cargas aseguradas, algoritmos adaptados a diferentes tecnologías de acumulación, puertos de comunicaciones para poder coordinar acciones con otros dispositivos de control y seguridad como los BMS de baterías de Litio y por supuesto sus propios sistemas de adquisición de datos y monitorización remota.
Estos sistemas incorporan, además módulos de gestión de cargas que permiten accionar, en función del balance del sistema dispositivos del edificio cuya aportación pueda ser flexible, por ejemplo, variar las consignas del sistema de clima para acumular frío y/o calor inercial durante las horas de máxima insolación, producción de ACS, bombeo de agua, producción de aire comprimido, funcionamiento de depuradoras, etc.
Metodología
Para poder diseñar la solución adecuada para cada edificio es imprescindible conocer el perfil de consumo del mismo. Para poder caracterizar dicho perfil es necesario conocer no solo el consumo energético mensual y asumir que este consumo se distribuye de forma homogénea a lo largo del mes y durante las diferentes horas del día. Una buena diagnosis del perfil de consumo requiere definir:
- Consumo mensual a largo de un período anual
- Distribución energética diaria
- Relación de consumos entre días laborables, fin de semana, días festivos.
- Distribución horario del consumo en días significativos
Con toda esta información se pueden realizar simulaciones muy ajustadas y conocer que potencia máxima fotovoltaica se puede instalar para conseguir un buen resultado de utilización y un retorno de la inversión
Nuestro equipo de trabajo ha diseñado un conjunto de herramientas que facilitan esta labor. A partir de los datos de curva de consumo cuarto horaria de los contadores de energía o mediante conversión en dicho formato de los archivos de descarga de los analizadores de redes.
Estos datos nos permiten simular cuál sería el comportamiento de un sistema cada 15 minutos y poder ver si la generación planteada en un proyecto cubre en mayor o menor medida el consumo previsto, qué cantidad de energía excedentaria puede ser almacenada o al contrario que flujo de energía almacenada debe ser extraída para su consumo.
En la figura 2. Se muestran las curvas correspondientes tanto a un consumo típico del sector residencial como a una curva de generación solar.
En la gráfica se puede observar cómo, en horas centrales del día, la generación solar disponible supera con creces a la demanda, por lo que existirá un excedente energético que requiere ser acumulado. Por el contrario en horas del atardecer y ocaso solar, esta energía deberá ser descargada para compensar la falta de generación fotovoltaica.
Mediante nuestro proceso de simulación cuarto horario a lo largo de todo un año tipo podemos establecer, para cualquier emplazamiento y perfil de consumo cual será el grado de autoconsumo que tendrá el usuario así como el porcentaje de utilización real del potencial de generación disponible en función de la solución fotovoltaica planteada.
A través de la visualización de resultados de forma mensual, semanal y diaria se pueden observar los comportamientos del sistema y tomar la decisión correcta sobre cualquier propuesta de dimensionado. Respondiendo de una forma gráfica e inmediata a las cuestiones habituales que se formulan los usuarios.
- ¿Qué potencia fotovoltaica instalar?
- ¿Qué capacidad de acumulación se requiere?
- ¿Cómo optimizar la inversión?
A modo de ejemplo, en las figuras 3 y 4 se reproducen los resultados de la simulación de consumos, generación solar, autoconsumo instantáneo, energía destinada derivada a acumulación y energía autoconsumida en diferido para el periodo de la semana del 12 de septiembre en Barcelona. En la figura 2 el sistema de 2,16 kWp alimenta una batería de 17 kWh mientras que en la figura 3 la batería es de 35 kWh.
Resultados
A partir de la simulación de diferentes configuraciones preestablecidas en forma de kits se puede determinar con cierta facilidad y de forma gráfica la idoneidad de la solución propuesta. En el caso que nos ocupa, la utilización de la herramienta de simulación nos permite ver todos estos resultados en forma gráfica al mismo tiempo en un informe como el reproducido en la figura 5.
En el informe resumen se pueden observar los datos de la configuración escogida, los diferentes flujos de energía calculados, en función del perfil de consumo del edificio y de la irradiación presente en el lugar a la inclinación y orientación especificados, así como los porcentajes aportados por el sistema en forma de autoconsumo y el grado de utilización del sistema fotovoltaico seleccionado.
Para este caso en concreto, basado en un consumo de perfil residencial de unos 12 kWh/dia de consumo, un sistema formado por 9 módulos solares de 240 Wp, un inversor de conexión a red con gestión de acumulación de 3,5 kW y una bancada de baterías selladas de 360 Ah/ 48 V lograría unos valores de autogeneración del 73 % logrando emplear el 100 % del potencial generador del sistema.
Conclusiones
Actualmente se dispone de la tecnología suficiente para lograr elevados niveles de autogeneración en edificios con una densidad de consumo energético por unidad de superficie en planta reducida. Edificios que en cumplimiento con la Directiva Europea serían catalogados como edificios de consumo casi nulo de energía.
Los costes actuales, de inversión, asociados a los sistemas fotovoltaicos permiten que estos sistemas ofrezcan rentabilidades y períodos de retorno cada vez más competitivos y razonables. En muchas regiones de Europa ya se ha alcanzado el punto paridad con la red, es decir, que el coste por kWh de producción de electricidad de los sistemas fotovoltaicos está al nivel del coste ofrecido por la red distribución, especialmente en aquellos sistemas en los que predomina el autoconsumo directo en horas diurnos y la acumulación juega un papel secundario.
Las nuevas legislaciones del sector eléctrico ya contemplan el autoconsumo y lo impulsaran ya que es un medio para el cumplimiento de los objetivos a nivel europeo de reducción de emisiones de CO2 así como de reducción de la dependencia energética y la estabilización de costes.
Referencias
- Directiva Europea 2010/31/UE Para la Eficiencia Energética.
- RD 842/2002 Por el que se aprueba el Reglamento Electrotécnico para baja tensión y especialmente la ITC-BT-40.
- RD 1699/2011 Por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia.
- Ley 24/2013, 26 de diciembre, Del sector eléctrico.