La energía solar fotovoltaica: evaluación tecnológica y económica 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

0 155

10

15

20

25cé

ntim

os d

e eu

ro L

CO

E

Tecnologías

PequeñaPotencia

Media Potencia

Gran Potencia

MonoCrist. Multi Crist. CIS CdTe

tA = 15tN = 20

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/

(6.4 kWh, 3.3 kW) 100 kg

1300 mm

860 mm

180 mm

Batería de litio ion para el auto-consumo

up to 48 kWh, 12, 24 and 48 V

Cost: $3000-3500 Cost: $680 per kWh

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

24 kWh, 16h (1.5 kW) 48 kg

graphene battery Aqueos hybrid battery (2.3 kWh , 48 V, 113 kg)

935 mm

330 mm 310 mm

Nuevas tecnologías de baterías para auto-conusmo

$160/kWh

Zinc air battery

Coste levelizado del almacenamiento de energia: LCOSE

Powerwall (cash purchase from SolarCity)

Aquion Energy S20P

Iron Edison 24V Lithium Battery

Eos Aurora 1000 | 6000

Imergy (projected

pricing, 30 years of life)

Cycles 5,000 3,000 2,000 10,000 10,950 kWh/cycle

(efficiency & degradation assumptions

included in calcs)

5.80 1.81 2.76 4,050 7,500

Total kWh produced over product lifetime

28,980 5,430 5,530 40,500,000 82,125,000

Total Cost $7,140 $1,155 $2,761 $648,000 $2,250,000 $/kWh used $0.25 $0.21 $0.50 $0.02 $0.03

Gran diversidad según durabilidad: revisión según tecnologías

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!

Patronos:

Con financiación de:

Prof. J.R.Morante jrmorante@irec.cat