Impacto de las protecciones contra sobretensiones transitorias en la viabilidad financiera de sistemas fotovoltaicos con conexión a red
ESPECIALIZACIÓN EN ENERGÍA ELÉCTRICA
Impacto de las protecciones contra sobretensiones transitorias en la viabilidad financiera de sistemas fotovoltaicos con conexión a red
Disminuir el Retorno de Inversión en Plantas Solares Fotovoltaicas
Autor: Ing. Guillermo AGLIETTO
Mayo de
2019
Índice de contenido general
2.2.1 Contexto Energético
en Argentina
2.2.2 Contexto Solar
Fotovoltaico en Argentina
2.2.3 Contexto en la
Provincia de Santa Fe
2.3.1 Gases de efecto
invernadero
3.4 Recurso disponible y
Radiación
6.2.1 Sobretensiones de
maniobra y descargas indirectas
6.2.2 Sobretensiones
externas – rayos directos
6.3 Desarrollo específico
- tipificación
6.3.1 Caracterización de
un rayo
6.3.2 Formas de onda de
corriente estándar
6.3.3 Efectos sobre la
instalación solar Fotovoltaica
6.4.1 Etapa 1: Daños
potenciales
6.4.2 Etapa 2: Evaluación
de medidas instaladas
6.4.3 Etapa 3: Cálculo
del riesgo de impacto (software)
6.4.4 Selección de
protecciones
7. Análisis Económico de
Propuesta Integral
Índice de Figuras
Figura
2.1: Demanda total de energía
primaria en el mundo. Fuente: Agencia Internacional de Energía (IEA) 2017.
Figura 2.2: Potencia fotovoltaica mundial
instalada hasta 2018, en (GW). Fuente: EPIA Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018.
Figura 2.3: Evolución de la energía solar en UE.
Fuente Solar Power Europe.
Figura 2.4: Evolución de la energía solar en
India. Fuente Solar Power Europe.
Figura 2.5: Cuota de
mercado de los principales países productores de células fotovoltaicas entre
1995 y 2013. Fuente: China grid-connects 34.2GW of solar in 2016.
Figura 2.6: Costo
total de un sistema FV. Fuente: IRENEA
Analysis and Photon Consulting.
Figura 2.7:
Evolución de costo FV vs Eólica. Fuente: IRENEA Analyisis and Photon Consulting.
Figura 2.8: Energías
primaria en Argentina 2017. Fuente Balance energética nacional.
Figura 2.9: Fuente
energías en Argentina. Fuente WEC.
Figura 2.10:
Consumo por sector productivo. Fuente WEC.
Figura 2.11:
Consumo Sector Comercial y público. Fuente WEC.
Figura 2.12:
Localización de recursos. Fuente WEC.
Figura 2.13:
Radiación solar en Argentina. Fuente WEC.
Figura 2.14:
Radiación solar en Santa Fe. Fuente UN.R
Figura 3.1: Vista
Frente Hotel.
Figura 3.2: Imagen satelital de la localidad de implementación de referencia.
Figura 3.3: Curva de
carga de consumo Hotel.
Figura 3.4: Curva de
radiación.
Figura 3.6: Curva de radiación
mensual.
Figura 3.7: Curva de
radiación.
Figura 3.8: Curva
iso-radiación Ejemplo Febrero y Diciembre.
Figura 3.9: Curva comparativa
de radiación (NASA vs Medición en campo).
Figura 3.10: Especificaciones Eléctricas de
paneles Solares.
Figura 3.11: Especificaciones Mecánicas de
paneles Solares.
Figura 3.12: Especificaciones Eléctricas del
inversor.
Figura 3.13: Disco
de irradiación solar (Bs As).
Figura 3.14: Distancia entre paneles.
Figura 4.1: Curva de retorno de inversión.
Figura 5.1: Esquema unifilar instalación solar FV.
Figura 6.1: Noticias
relacionadas al caso de estudio.
Figura 6.2: Noticias
relacionadas al caso de estudio.
Figura 6.3: Registro
general de eventos en lugar.
Figura 6.4:
Representación gráfica de una sobretensión. Imagen ilustrativa.
Figura 6.5: Estaciones de muestreo. Fuente: Red Mundial de
Colaboradores de Localización de
Descargas Atmosféricas (por sus siglas en WWLLN).
Figura 6.6: Mapa isoceráunico. Fuente: IRAM
2184-1/AEA 9305-1.
Figura 6.7: Regiones con igual días de
tormenta eléctrica. Fuente: IRAM 2184-1/AEA 9305-1.
Figura 6.8: Curva densidad de rayos. Mapa isoceráunico.
Fuente: IRAM 2184-1/AEA 9305-1.
Figura 6.9: Zonas
riesgo Argentino por provincias. Fuente: Conicet Div LIDAR / CITEDEF.
Figura 6.10:
Forma de onda e intensidades de descargas positivas y negativas. Fuente IEC.
Figura 6.11:
Modelo de sobretensión transitoria de onda directa 10/350 Estándar. Fuente IEC.
Figura 6.12:
Forma de onda de corriente de impulso de rayo a 10/350 µs.
Figura 6.13:
Modelo de sobretensión transitoria de onda directa 8/20.
Figura 6.14:
Forma de onda de corriente de impulso de rayo a 8/20 µs.
Figura 6.15: Módulo
fotovoltaico abrasado por un rayo.
Figura 6.16:
Pasos para dimensionamiento de protecciones.
Figura 6.17:
Categorización de riesgo. Fuente IEC.
Figura 6.18:
Categorización de riesgo. Fuente IEEE.
Figura 6.19:
Categorización de riesgo. Fuente IEC, IEEE, VDE, UNE.
Figura 6.20:
Modos de protección.
Figura 6.21:
Cómo cambia la tensión residual en función de la impedancia.
Figura 6.22:
Esquema unifilar de protecciones.
Figura 6.23:
Esquema cascada y tensiones residuales admisibles
Figura 6.24:
Esquema unifilar de protecciones – simulación.
Figura 6.25:
Esquema unifilar de protecciones – simulación rayo.
Figura 6.26:
Esquema unifilar de protecciones – simulación rayo.
Figura 7.1: Curva de retorno
de inversión.
Figura 7.2: Curva de retorno de
inversión de las alternativas.
Índice de Tablas
Tabla 2.1 Análisis FODA.
Tabla 3.1: Radiación según aplicación
Global Solar Atlas.
Tabla 3.2: Recurso solar en plano
horizontal mensual y promedio anual utilizando la base de Cañada Rosquín.
Tabla 3.3:
Corrección de radiación plano horizontal. Fuente: Guía del recurso solar;
contribuciones de Cristian Wallace.
Tabla 3.4: Corrección de radiación plano horizontal. Fuente: Guía del recurso solar; contribuciones.
Tabla
4.1: Resumen general de Inversión y Ahorro.
Tabla
4.2: Detallo de análisis económico.
Tabla 6.1: Registros de sobretensiones.
Tabla
6.2: Coeficientes ambientales.
Tabla 6.3: Subcategorías de riesgo.
Tabla 6.4: Datos de cálculo del software.
Tabla 6.5: Resumen verificación por software.
Tabla 6.6:
Clasificación del tipo de protectores recomendado para rayos directos e
indirectos.
Tabla 6.7: Comparativa de características principales de
supresores.
Tabla 6.8:
Clasificación de protectores según equipo a proteger.
Tabla 6.9:
Corriente ruptura mínimos según uso. Fuente IEEE.
Tabla
6.10: Característica supresores. Fuente SineTamer.
Tabla 6.11:
Característica supresores. Fuente SineTamer.
Tabla
6.12: Tensiones residuales máximas.
Tabla 7.1: Resumen general de Inversión y Ahorro
de Planta Solar con protección
Tabla 7.2: Detalle
de análisis económico planta solar con protecciones
Tabla 7.3: Detalle
de análisis económico planta solar sin protecciones
1.1
Antecedentes
En la actualidad,
las empresas buscan alternativas a dos problemas crecientes, el costo de la energía
y la responsabilidad social empresaria (RSE) que demanda el consumidor.
En las empresas
de servicio del futuro, el cliente no solo elegirá como sucede hoy día, hoteles
que respeten normas de convivencia y respeto por el hábitat, sino que a su vez
buscarán lugares que hagan del medio ambiente y la responsabilidad social su
concepto de negocio y compromiso principal. Por este motivo, la industria hotelera
está cambiando, y la flexibilidad que cada uno de los actores tenga para adaptarse,
dictará el triunfo y la supervivencia en el futuro.
Una de las
falencias más grandes detectadas en las investigaciones preliminares, es la falta
de iniciativas de aplicación de Energías Renovables en la industria Hotelera en
general, por lo que el sector carece de referencias e incentivos de competencia.
En base a lo
expuesto, basaremos el presente proyecto en la Normativa de aplicación de
Argentina y la Provincia de Santa Fe en lo que respecta a Instalaciones Solares
Fotovoltaicas. Tanto la Distribuidora de Energía de Santa Fe como la Secretaría
de Energía de la Provincia de Santa Fe, poseen marcos regulatorios en lo que
respecta a generación distribuida y sus incentivos.
Dentro del
análisis global del proyecto, incluimos el estudio detallado de protecciones
eléctricas específicas. Dicho desarrollo pretende integrado al sistema
Fotovoltaico y las instalaciones eléctricas del hotel para mantener un tiempo
la continuidad del servicio. En este caso particular, y al no haber desarrollos
de normas específicas para tal fin, realizaremos en el presente una adaptación
de normas internaciones como IEC e IEEE a sistemas de generación solar, y
desarrollaremos su forma de aplicación práctica como medida de aporte de
innovación.
1.1.1 Aporte previsto
Se pretende
brindar a las empresas del sector hotelero referencias y lineamientos
preliminares para que puedan comenzar las aplicaciones en el marco de la RSE con
un plan de inversión en Energías Renovables que sea sustentable técnica y económicamente.
Como aporte de
innovación del presente, se incluirá un estudio de las protecciones en la línea
de Energías Renovables (EE.RR.) para asegurar que tanto las sobretensiones
directas e indirectas generadas por descargas atmosféricas, como las generadas
por conmutación de cargas, no pasen al circuito de Corriente Alterna (CA /AC),
y asegurar valores de tensiones residuales cercanas a cero en los equipos
sensibles, para cuidar a las personas que se hospedan, eliminar el riesgo de
explosión e incendio y resguardar la electrónica de la línea para lograr
fiabilidad y continuidad de servicio.
Es menester
remarcar que el TFI tiene un grado de desarrollo de innovación importante, ya que
en la actualidad hay poca normativa de protecciones específicas para este tipo
de instalaciones, solo lo que los fabricantes recomiendan.
Como la aplicación
será normalmente implementada en edificios de altura donde las probabilidades
de descargas de rayos directas aumentan sensiblemente, el presente proyecto de
desarrollo cobra vital importancia para asegurar las inversiones en EE.RR.
realizadas por los hoteles.
1.1.2 Objetivos
Objetivos Generales
Diseñar un SISTEMA
DE GENERACIÓN DE ENERGÍA RENOVABLE EN UN HOTEL a escala de generación en línea,
aplicado a un entorno de cargas eléctricas sensibles y riesgo de descargas
atmosféricas directas e indirectas elevado.
Objetivos Específicos
Proponer un
sistema de EE.RR. sustentable técnica y económicamente, capaz de ser replicable
a las limitaciones de la industria hotelera en general.
Proponer un
sistema de protección electrónica adaptando los conceptos generales de
normativa internacional a plantas de generación solar fotovoltaica y los equipos
electrónicos conectados a la misma red eléctrica.
1.2 Metodología
1.2.1 Actividades
Se realiza el estudio analítico basado en la normativa de referencia,
información comercial de fabricantes y aplicaciones similares.Posteriormente,
se procede al diseño basado en protocolos la Empresa Provincial de la Energía
de Santa Fe (EPESF) y programas de Secretaría de Estado de la Energía de Santa
Fe.
Las actividades a realizar consisten en el estudio de la Normativa,
generando un marco teórico inicial, recopilación de la información de
fabricantes y normas nacionales e internacionales, actividades de campo como
relevamientos de instalaciones, planimetrías, mediciones y análisis de curvas
de carga y calidad de energía en acometida eléctrica general con equipos de
medición específicos.
Una vez concluidos estos trabajos, se realizará el diseño propiamente
dicho del sistema de EE.RR. en interacción con la red eléctrica existente del edificio,
para luego diseñar el sistema de protecciones.
1.2.2 Factibilidad:
Para la
realización del presente trabajo se tiene acceso a las hojas de datos de
fabricantes, distribuidores de componentes de EE.RR. e información oficial de Reglamentación
Nacional de la Asociación Electrotécnica Argentina (RAEA) e Internacional, como
IEC e IEEE.
Además, se cuenta
con toda la información de posgrado en Energía Eléctrica y la experiencia del
alumno en el desarrollo y aplicación de protecciones en la industria.
Finalmente, el
director de proyecto, Dr. Ing. Diego M. Ferreyra, es Ingeniero Electromecánico y
Doctor en Ingeniería, con una vasta experiencia en energía y particularmente en
energías renovables, donde además dicta la cátedra de Energía Solar en la Especialización
de Energía Eléctrica de la UTN Santa Fe.
2.1
Resumen
El presente Trabajo Final tiene por finalidad
la contribución técnica a la
sustentabilidad energética en hoteles mediante la aplicación de generación
solar fotovoltaica con protecciones eléctricas específicas que aseguren la
sostenibilidad técnica y económica de los proyectos de inversión.
La superficie de la Tierra recibe una gran
cantidad de energía solar, aproximadamente 122 PW (pentawatts) de potencia. Es
de esperar entonces que la energía solar se convierta en la principal fuente de
energía de la humanidad en un futuro cercano. Además, la generación eléctrica fotovoltaica
(FV) presenta la mayor densidad energética de todas las fuentes renovables
(promedio de 170 W/m2). [5]
Podemos confirmar en el avance de cada apartado
de este trabajo, cómo la elevada potencialidad de generación solar en nuestro país
contrasta con la imposibilidad de acceso a fomentos para implementación de
energía solar, y cómo la industria
hotelera no está tomando acciones que permitan ofrecer experiencias de RSE a
los usuarios cada vez más exigentes.
A su vez, vamos a especificar en detalle la
posibilidad de implementar plantas de generación que a través del aporte de
este trabajo, desarrollando protecciones contra sobretensiones de maniobra y de
descargas atmosféricas directas e indirectas, sean sustentables en su aspecto
técnico y económico que permitirá animar e impulsar a las empresas hoteleras a
transitar este camino; y a los organismos del estado incluir en incentivos a la
generación verde en hoteles.
2.2 Conceptos preliminares
El mercado FV mundial tiene un crecimiento
constante que alcanza los últimos años (EPIA, 2013; Renovables, 2014). Esto es
debido a las políticas de promoción implementadas por diversos países
desarrollados, que impulsaron la instalación de sistemas FV conectados a la red
de distribución eléctrica (On-Grid).
El mundo está enfrentando nuevo cambio de
paradigma, los problemas medioambientales y el crecimiento de la población
mundial ponen a la sociedad de cara a nuevos desafíos, a una necesidad de
migrar a fuentes de energías más sustentables que las energías provenientes de
fuentes fósiles. Aún sigue siendo el carbón y el gas la mayor fuente de energía
primaria del mundo según de la Agencia Internacional de Energía (IEA).
Figura 2.1: Demanda total de energía primaria en el
mundo. Fuente: Agencia Internacional de Energía (IEA) 2017.
En este contexto, se abre un nuevo paradigma del uso racional
de la energía, la eficiencia energética y las fuentes de energías renovables. Es por ello que la generación FV está en constante crecimiento a
nivel mundial, como puede observarse en la figura 2.2, donde se analiza la
potencia mundial instalada hasta el 2018 y la previsión futura (F).
Figura
2.2: Potencia fotovoltaica mundial instalada hasta 2018, en
(GW), expresada por región. Fuente: EPIA Global Market Outlook for
Photovoltaics 2014-2018
La Unión Europea (UE) es donde se
desarrolla con más fuerza esta tecnología de manera sostenida, aunque desde
2018 la mayor capacidad total instalada la tiene China, alcanzando una potencia
instalada a principios de 2019 superior a los 170 GW. Dentro de la UE, Alemania
es el país con mayor crecimiento y el mayor desarrollo en la fabricación de
esta tecnología.
Figura 2.3:
Evolución de la energía solar en la
UE. Fuente
Solar Power Europe Company
¨India está
densamente poblada y tiene también una gran irradiación solar, lo que hace del
país uno de los mejores candidatos para el desarrollo de la fotovoltaica. En
2009, India anunció un programa para acelerar el uso de instalaciones solares
en los edificios gubernamentales, al igual que
en hospitales y hoteles lo que provocó el crecimiento constante
de esta potencia instalada¨, según [1].
Figura 2.4: Evolución de la energía solar en
India. Fuente: Solar Power Europe Company.
Una de las consecuencias más importantes del
ingreso de China al mercado de fabricación de paneles e inversores, es la disminución
de costos asociados, lo que permite la masividad en su uso. La capacidad de
producción de paneles solares chinos se multiplicó por 4 entre 2009-11.
Figura 2.5: Cuota de mercado de los
principales países productores de células fotovoltaicas entre 1995 y 2013. [2] Fuente: Wikipedia
Figura 2.6: Costo total de un sistema FV. [12]
Si comparamos la evolución del
costo de la energía solar con la eólica, podemos observar que ésta última logró
cambiar la tendencia y es ahora más económica. No se analizan en este caso las
limitantes climáticas, como tampoco las del suelo o el valor que tiene la
tierra que en muchos casos con valor superior que la FV.
Figura 2.7: Evolución de costo Fotovoltaico vs Eólica.
[12]
De Acuerdo con [3], ¨en Latinoamérica, la energía fotovoltaica ha comenzado a despegar
en los últimos años. Se ha propuesto la construcción de un buen número de
plantas solares en diversos países, a lo largo de toda la región, aunque
todavía queda mucho camino por recorrer. A la cabeza se encuentra México,
siendo el país latinoamericano con mayor capacidad instalada, y tiene aún un
enorme potencial en lo que respecta a energía solar con un 70 % de su
territorio presenta una irradiación superior a 4,5 kWh/m²/día, lo que lo
convierte en un país muy soleado.
Chile lideraba la
potencia instalada hasta hace unos años y Perú comenzó un plan para instalar
plantas solares. Es curioso el caso de Brasil, que está
experimentando un crecimiento más lento que el resto del sector, en parte
debido a la elevada generación mediante energía hidráulica¨.
2.2.1 Contexto Energético en
Argentina
La situación en nuestro país es diferente,
donde aún hay una fuerte dependencia con la generación térmica basada en
combustibles fósiles, como puede verse en el gráfico de la figura 2.8. La
contribución de las energías renovables, excluyendo la generación
hidroeléctrica de gran escala, ha sido insignificante. (Durán, et al.,
2015)