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Energías RenovablesTipos Disponibles y Aplicaciones en la Agricultura
La Serena, Octubre 2013
Taller de Difusión Concurso ERNC - CNR
-Sobre el Centro de Energías Renovables - CER
-Energías Renovables
Fuentes – Tecnologías
-Energías Renovables No Convencionales en Chile
-Tipos de proyectos ERNC
Etapa de pre-Inversión y ciclo de vida
-Autoconsumo y aplicaciones de ERNC en la agricultura
-Sistema de bombeo fotovoltaico
-Herramientas de apoyo para el desarrollo de proyectos
Agenda
Misión del CER
Asegurar la participación óptima de las EnergíasRenovables No Convencionales en la matrizenergética de Chile para contribuir al desarrollosustentable del país.
El CER es un comité CORFO, constituido en Agosto del 2009, que trabaja bajo los lineamientos del Ministerio de Energía
Objetivos: – Consolidar los esfuerzos de los distintos
organismos gubernamentales para el desarrollo de las ERNC.
– Promover y fomentar las políticas del Ministerio de Energía, a través de:
• Acompañamiento y orientación a desarrolladores de proyectos.
• Gestión de información y creación de contenidos.
• Provisión de insumos para el desarrollo de políticas públicas para las ERNC.
• Diseño, promoción e implementación deinstrumentos de fomento.
Centro de Energías Renovables
Fuentes de Energía Renovable
Todas provienen directa o indirectamente del sol salvo la energía geotérmica que proviene del
núcleo de la tierra
Corresponden a aquellas fuentes de energía que pueden renovarse continuamente en escala de
tiempo humana
Diferenciación de Fuentes de Energía
Convencionales- Fósiles/ Plantas Termoeléctricas (carbón, petróleo, gas)- Hídricas/Plantas Hidroeléctricas (Chile: mayores a 20 MW)
Renovables No Convencionales- Eólica- Solar- Bioenergía- Geotermia- Mini hidráulica (Chile: Hasta20 MW)- Marina
No Convencionales:Definición utilizada para
diferenciarlas de la hidro de gran escala.
Energía Renovable en el MundoParticipación de las Renovables en el consumo global de energía -2011
Capacidad Instalada de Generación de Electricidad - 2012 (sin mini hidro)
Fuente: REN21-2013
La energía solar corresponde a la radiación que recibe la tierraproveniente del sol. Esta radiación está compuesta de luz y calor.La energía recibida en la superficie de la tierra se conoce comoirradiancia, la cual varía según estación del año, hora del día yfactores climáticos (nubes).
Ventajas:Disponible en toda la superficie terrestre, aunque de menorintensidad hacia los polos. Es una fuente inagotable y sirve paragenerar electricidad o calor.Desventajas:No está disponible durante la noche. Presenta variacionesestacionales. Puede necesitar gran superficie de terreno.
Energía Solar: aspectos generales
Colectores solares: Permitenaprovechar la radiación solar enforma directa para calentar aguapara uso sanitario o enaplicaciones industriales.
Paneles fotovoltaicos: Permitenconvertir la radiación solardirectamente en electricidad, yasea para aplicaciones domésticas,industriales o generación eléctricaen grandes escalas.
Concentrador solar de potencia:Esta tecnología permite utilizar elcalor para generar vapor, el cualimpulse un generador eléctrico.
Energía Solar: tecnologías
CER
CER
CER
La energía eólica corresponde a la energía cinética contenida en elviento y considerada una forma secundaria de energía solar.La energía eólica es aprovechada mediante generadores eléctricosconectados a hélices, las que son impulsadas por el viento.También son utilizados en pequeñas escalas para generar energíamecánica.
Ventajas:Es una fuente inagotable. Sirve para generar electricidad o movimiento.Escalable y puede emplazarse en todo tipo de relieve.
Desventajas:Es una fuente muy variable y poco predecible. Cambios de intensidad ydirección. Ocupa grandes extensiones de terreno y afecta al paisaje.
Energía Eólica: aspectos generales
Eólica on-shore (emplazamientos entierra): alcanzan potencias de 5 MW.El viento es mas inestable, pero lainstalación es más económica.
Eólica off-shore: (emplazamientosen el mar) existen prototipos de 11MW. El viento es más estable en elocéano, pero es más caro instalarestos equipos.
Pequeñas aplicaciones: Existendiversos tipos de aerogeneradorespara aplicaciones de autoconsumo yde pequeña escala.
CER
NREL
NREL
Energía Eólica: tecnologías
La energía hidráulica corresponde a la energía cinética contenidaen el agua en movimiento, ya sea en un plano inclinado o unacaída.Puede ser desarrollada a pequeña escala a partir de caucesnaturales o asociados a obras de riego existentes (embalses ocanales de riego).
Ventajas:No requiere grandes espacios para instalaciones y no generaemisiones de ningún tipo. Es la tecnología más madura yconocida a la fecha.Desventajas: Presenta variaciones estacionales. Es un recursodisponible sólo en algunas zonas por lo que no se encuentrasiempre en las cercanías de los centros de consumo.
Energía Mini Hidráulica: aspectos generales
Pequeñas centrales de pasada: Son centrales de generación de pequeño tamaño, que pueden operar con un cauce natural de agua.
Micro centrales: Son aplicaciones de menor tamaño, que pueden ser usadas para proyectos alejados de la red eléctrica.
Centrales portátiles: Son dispositivos de muy baja potencia, pero que no requieren una base fija y pueden ser fácilmente reinstalados.
Energía Mini Hidráulica: tecnologías
La energía geotérmica corresponde al calor contenido en el interiorde la tierra. Es la única fuente renovable que no depende del sol.La geotermia para generación eléctrica es viable a gran escala porel costo de las perforaciones, sin embargo las aplicaciones térmicaspueden ser de pequeña escala.
Ventajas:No requiere grandes superficies para instalaciones. No depende delclima. Es una tecnología probada y conocida, tiene un alto factor deplanta (horas equivalentes de operación a potencia nominal).
Desventajas: Tiene un costo de inversión inicial alto y elevadoriesgo por la incertidumbre de la perforación. Libera emisiones degases a la atmósfera.
Energía Geotérmica: aspectos generales
Alta entalpía: Son centrales de generación que utilizan fuentes de vapor de alta temperatura (sobre 150°C) para mover directamente una turbina.
Media entalpía: Centrales de generación eléctrica que usan temperaturas menores (100 -150°C), pero vaporizan un fluido de trabajo.
Baja entalpía: Son aplicaciones térmicas que aprovechan fuentes de agua de baja temperatura o el calor del subsuelo (temperatura menor a 100°C).
CER
Energía Geotérmica: tecnologías
La energía marina corresponde a la energía cinética, potencial oquímica contenida en el mar.Está contenida en el movimiento de sus mareas, olas, corrientesy gradientes de temperatura y salinidad.
Ventajas:Esta presente en las costas de todo el mundo. Son proyectosescalables. Presenta un gran potencial.Desventajas:En general es de disponibilidad variable. Tecnología de alto costoy poca madurez. Compite por espacio con múltiples usos en líneade costa.
Energía Marina: aspectos generales
Undimotriz: Aprovecha la energíacinética del movimiento de lasolas. Pueden estar situadas enlínea de costa o mar adentro. Altadivergencia tecnológica. Permiteaplicaciones mecánicas.
Mareomotriz (Amplitud):Aprovecha el movimiento de lasmareas, ya sea mediante embalseso captadores puntuales. Es la demayor uso actual, pero menorpotencial.
Corrientes de Mareas y Oceánicas:Aprovecha el movimiento continuode las corrientes de mareas yoceánicas y es predecible.
Energía Marina: tecnologías
Es la energía obtenida a partir de la materia orgánica de origenanimal, vegetal, o de la transformación de la misma, ya sea mediantela combustión directa, o mediante su procesamiento para lageneración de otro tipo de combustibles.La bioenergía puede utilizar diversas fuentes energéticas paradiversos tipos de aplicaciones, siendo muy versátil.
Ventajas:No requiere grandes superficies para instalaciones. Puede seremplazada cerca de las fuentes de biomasa y/o de los centros deconsumo.
Desventajas:Requiere de cadenas de suministro que aseguren abastecimiento ysustentabilidad a largo plazo. Disponible sólo en algunas áreasdeterminadas.
Bioenergía: aspectos generales
Combustión Directa/Cogeneración:Consiste en la utilización debiomasa para generar calor y/oelectricidad a partir de sucombustión directa.
Biogás: Consiste en la generaciónde gas a partir de procesostermoquímicos o bioquímicos, elcual puede ser luego utilizadocomo combustible para otrosprocesos.
Biocombustibles: Consiste en latransformación de biomasa vegetalo animal en combustibles líquidos.
CelanEenrgy
Bioenergía: tecnologías
Biomasa: leña, Pellet (Compactación de biomasa con reducido contenido de humedad), algunos residuos agrícolas y forestales.
Bioetanol: Producto de la fermentación de azucares (maíz y remolacha).
Biodiesel: Se produce a partir de alcholisis de grasas y aceites vegetales.
Biogás: Combustión del metano producido a partir de la digestión anaeróbica de residuos vegetales, fecasanimales y RSU (vertederos).
Bioenergía: combustibles
Familias de tecnologíasAplicación energética
Eléctrica Térmica MecánicaSo
lar
Solar fotovoltaica (PV) xConcentración solar de
potencia (CSP) x x
Colectores Solares Térmicos x
Eólic
a
Eólica on shore xEólica off shore x
Eólica baja potencia x x
Hidr
o Mini hidráulica x xMicro hidráulica x x
Biom
asa Combustión/Cogeneración x x
Biogás x xBiocombustibles x x x
Geo
term
ia Geotermia alta entalpía x xGeotermia mediana entalpía x x
Geotermia baja entalpía x
Mar
ina Undimotriz/Mareomotriz x x
Gradiente Térmico x xGradiente Salino x
Tecnologías ERNC y sus aplicaciones
• Gran disponibilidad de recursos renovables.• Altos costos de la energía en Chile presentan oportunidad de
competir a las ERNC.• Permite acceso a energía en zonas aisladas o fuera de la red eléctrica.• Invertir en ERNC no sólo puede dar beneficios económicos, sino
también sociales, aporta a la independencia energética y a ladisminución de emisiones de gases de efecto invernadero como elCO2.
¿Por qué Energías Renovables en Chile?
• Variabilidad del recurso.• Maduración tecnológica.• Maduración de industria local y cadena de suministros.• Desconocimiento y asimetría de la información.• Alta inversión inicial y aversión al riego (a pesar de bajos costos de
operación).• Mecanismos de fomento, institucionalidad y regulación en etapas iniciales.
Algunas Barreras para la penetración de las ERNC
Relevancia de las ERNCPilares Estrategia Nacional de Energía 2012-2030:
1. Crecimiento con Eficiencia Energética2. Despegue de las ERNC3. Mayor Preponderancia del Recurso Hídrico (Menor Dependencia Externa)4. Nuevo Enfoque en Transmisión (Carretera Eléctrica Pública)5. Mercado Eléctrico más Competitivo6. Avance hacia la Interconexión Eléctrica Regional
Licitaciones de Bloques de ERNC
Plataforma Geo referenciada
(Proyectos-Recursos-Infraestructura-Terrenos Fiscales-Zonas Protegidas-
Demanda)
Fomento y Financiamiento
(Instrumentos de Cobertura-Seguros-Líneas de Crédito Internacionales-
Estudios de Factibilidad)
Fortalecimiento de laInstitucionalidad
Despegue de las ERNC
Participación ERNC en Sistemas Interconectados y Estrategias por Tecnología
Tecnologías
• Solar•Bioenergía•Geotermia•Eólica•Mini hidro•Marina
Colaboración
• Sector Público• Sector Privado• Investigadores•Ciudadanía
Algunas Líneas de Acción
• I+D+i•Prospección
del Recurso• Instrumentos
de Fomento•Marco
Regulatorio•Acceso a
Información
4,8% De Inyección Total 2012
7,2% De Inyección 2012 Afecta a Ley 20.257
10% 2024
20%2025
Ejemplos de Instrumentos de apoyo según etapa
Instrumento Institución Etapa que apoya
Características
Instrumento de preinversión
Centro de Energías Renovables (CER)
Preinversión Cofinanciamiento para estudios de preinversión para proyectos ERNC eléctricos conectados a red
Innovación en ERNC INNOVA Inversión Cofinanciamiento para proyectos ERNC de autoabastecimiento en la industria asociados al modelo ESCO
ERNC en la Agroindustria
Fundación para la Innovación Agraria
Inversión Cofinanciamiento para proyectos ERNC de autoabastecimiento enel sector silvoagropecuario
Fomento a la inversiónprivada en obras de riego y drenaje.
Comisión Nacional de Riego (CNR)
Preinversión eInversión
Cofinanciamiento para proyectos de riego energizados con sistemas ERNC
• Estudios de preinversión pueden tener un costo elevado, por lo queproyectos de energía renovables no siempre se consideran almomento de tomar una decisión de inversión y por desconocimientocompiten en desventaja con otras alternativas de inversión como laposibilidad de ampliar el negocio.
Barreras en la etapa de preinversiónpara proyectos de Autoconsumo
Ampliar el negocio? O invertir en energía?Necesidad de herramientas que apoyen la toma de decisión, sobre todo en etapas preliminares.Experiencias locales para difundir la tecnología con casos exitosos.
Estudios de preinversión proyectos de Riego con ERNC
Definir Requerimiento
•Caudal de riego•Altura
Manométrica•Eficiencia de la
motobomba•Potencia
demandada•Energía
demandada•Estacionalidad
de la demanda•Costo actual o
alternativo.
Prospección
•Evaluación necesaria para la cuantificación del recurso energético disponible y características como su variabilidad.
•Ejemplos: Viento, radiación solar, caudales (microhidro).
•Prospección del terreno (pendiente, sombras, etc..
Ingeniería Conceptual
•Estudios que permiten determinar viabilidad tecnológica y la evaluación preliminar del proyecto.
• Ejemplos: equipos principales, evaluación económica preliminar.
• Selección de Tecnología de ER.
Ingeniería Básica
•Definición de especificaciones de la solución seleccionada, así como evaluación económica más avanzada.
• Es el proceso que contempla desde la idea del proyecto hasta el término de todos los estudios.• Al avanzar en el desarrollo del proyecto, los estudios se profundizan de acuerdo a las prioridades y el presupuesto de cada caso. • Esta etapa termina con la decisión de invertir.
Beneficios de la incorporación de ERNC para Autoconsumo
• Reducción de consumo de combustible y electricidad, con elconsiguiente ahorro de costo variable.
• El costo de la electricidad y de otros servicios se independiza de lasalzas y volatilidad de los precio de los combustibles.
• El factor de emisión del ciclo de vida de un proyecto ERNC esmínimo, por lo que su incorporación permitiría reducir la Huella deCarbono, ayudando a mitigar el Cambio Climático.
Recomendaciones para Proyectos ERNC de Autoconsumo
Realizar una buena evaluación del requerimiento energético.• Partir por identificar e implementar oportunidades de reducción de
consumos (Eficiencia energética).
• Establecer el tipo de demanda energética (Térmica, eléctrica o mecánica).
• Contar con fuentes fiables de determinación de la demanda (historial de demandas eléctricas y térmicas).
• Establecer, las variaciones, diarias y ciclos estacionales de las demandas.
• Gran parte de la actividad se desarrolla en lugares con buenos recursos renovables para los que existen distintas tecnologías.
• La agricultura produce gran cantidad de productos y desechos orgánicos que pueden ser utilizados para generación eléctrica, térmica y mecánica.
• Por lo general se dispone de superficie suficiente para implementar los proyectos.
• Al ser una industria exportadora, el uso de ERNC puede aumentar la competitividad de sus productos en el extranjero al reducir su huella de carbono.
¿Por qué ERNC en la Agricultura?
Secador solar para frutaBombeo eólico de aguaResiduos Agrícolas
Secador solar o deshidratador, Mincha, IV Región
Un secador solar es un equipo que utiliza la radiación solarpara disminuir la humedad del producto o material a secar. Lossecadores, al igual que los calentadores solares, utilizan elefecto invernadero como trampa de calor.
Bombeo Solar, Illapel, IV RegionUna interesante aplicación de la energía solar es el bombeo deagua de pozos, especialmente interesante en comunidades ruralesaisladas. Se opera con paneles fotovoltaicos que producen energíaeléctrica utilizada para hacer funcionar una bomba que impulsa elagua por el sistema de riego del predio en cuestión.
Sistema solar térmico, Viña Gracia - Valle del CachapoalCalienta un fluido (o agua) sólo con la energía proveniente delsol y éste puede aprovecharse para calentar líquidos (sistemasde agua cal iente sanitaria) o bien para sistemas declimatizacion.
Biodigestores, varios sectores en Vilcún, IX Región
Dispositivo en el cual se produce la fermentación de residuos orgánicos,por medio de bacterias especializadas de forma análoga a la digestiónque se realiza en el estómago de los mamíferos. El producto de unBiodigestor es el Biogás o Gas Metano.
Bombeo eólico, Osorno y Curicó
- Bombeo eólico a partir de energía mecánica, en donde no se requierebomba eléctrica.
- Bombeo a partir de energía eléctrica producida por un aerogeneradorque alimenta una bomba.
Microhidro, Pallaco, VIII Región
La generacion con centrales micro hidro presenta un enorme potencial enla agricultura chilena porque se cuenta con los canales y en muchos prediotambién existen caidas de agua.
Centro de Energia, U. de Chile
Centro de Energia, U. de Chile
Estacionalidad en la Demanda de la Energía
α
α = latitud
α - 15° α + 15°
en el total anual en verano en invierno
•Si la demanda tiene una marcada estacionalidad se deberá aumentar o disminuir en aproximadamente 15°la inclinación de los paneles respecto a la latitud del emplazamiento.
•En el hemisferio sur, la orientación (azimut) debe ser al norte.
Para maximizar ganancia de Energía con paneles FV:
Configuración Sistema de Bombeo Fotovoltaico
Componente CaracterísticasMotobomba Tipo: Sumergible o Superficial.
Corriente: CA (requiere Inversor). CC si cuenta con conmutador electrónico (no requiere inversor). Haymotobombas de frecuencia variable lo que permite operar con distintos niveles de radiación.
Inversor Necesario para convertir la CC generada por los paneles fotovoltaicos en CA. Debe dimensionarse conuna potencia no menor a la de los paneles fotovoltaicos. Es beneficioso que el Inversor (o la unidad decontrol) incorpore una unidad electrónica de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para queel panel opere a su máxima potencia.
Unidad de Control Permite realizar seguimiento al estado del sistema, indica la potencia eléctrica entregada por los paneles,el estado del sensor contra la partida en seco en el pozo y el nivel de agua del estanque permitiendoencender y apagar el sistema.
Panel Fotovoltaico Por lo general se utilizan de silicio monocristalino o silicio policristalino de diferentes potencias peak (Pp,en Watts) requiriéndose una superficie entre 7 y 10 m2 de paneles por kWp. En condiciones de operaciónla Pp de los paneles se ve afectada especialmente por las mayores temperatura que alcanzan las celdasrespecto a las condiciones de laboratorio donde se trabaja con 25°C de temp. de celda.
Sistema de Seguimiento
Permite a los paneles realizar seguimiento a la trayectoria solar de este a oeste, necesario si se quieretener un caudal constante en sistemas de riego directo (sin estanque).
Sistema con Estanque Sistema Directo
Dimensionamiento de Proyectos de Bombeo Fotovoltaico El volumen diario a bombear debepoder acumularse en el estanquedurante las horas del día en que secuenta con radiación globaldiaria(Gd) en Watts horas/m2:
Luego se debe determinar el caudalnominal (Qnom) de cada mescalculando el cociente entre elvolumen diario a almacenar y hspcalculado para un día de dicho mes:
Dimensionamiento de Proyectos de Bombeo Fotovoltaico
ηmb :eficiencia de motobomba(hidráulica más eléctrica)Qnom :caudal (lts/seg)H: altura manométrica (m.c.a).Si se desea estimar la potencia en HP el factor 102 debeser reemplazado por 75.
Método Simplificado (KW):
Para determinar la potencia requerida:
•Obtener Q y H•Revisar curva característica de bombas comercialmente disponibles y elegir entre las de mejor rendimiento para dichas condiciones.
Debe utilizarse el máximo Qnom del año o elpromedio de los 3 o 4 meses con mayor Qnom (paraevitar sobredimensionar el sistema en meses debajo Qnom).
Eficiencia Equipos
Pérdidas incurridas entre el generador solar y la motobomba (inversor, MPPT, unidad de control)
Ƞ equipos = 0,8 - 0,95
Potencia Peak de los paneles corresponde a la alcanzada en condiciones de laboratorio, luego se debe aplicar un factor de corrección de potencia peak (FCP):
FCP = 0,9 - 0,8
Superficie requerida por kWp: 7 – 9 m2 monocristalino8 – 11 m2 policristalino
Riego Directo
En un sistemas de riego con generador solar y sin estanque, el caudal deriego variará ya que dependerá directamente de la motobomba y porende de la radiación disponible (instantánea).
Esto dado que la intensidad de radiación incidente varía a lo largodel día, aumentando desde el amanecer para alcanzar su máximo amedio día cuando el sol está perpendicular sobre la superficie depaneles, comenzando luego a disminuir en el transcurso de la tarde(también inciden la nubosidad y condiciones climáticas).
Luego si se quiere un caudal de riego constante, se debe usar unsistemas de seguimiento que permite al panel girar sobre su ejenorte-sur.
Los sistema de seguimiento además de permitir un caudal constantedurante buena parte del día, pueden aumentar significativamente hsp yla ganancia anual de energía oscila entre un 25% y 35%.
Puede evaluarse habilitar un estanque y aumentar la superficiede paneles para evitar la inversión en sistemas de seguimiento.
Factores a considerar en la Evaluación Económica
Costos Inversión Sistema Fotovoltaico
Costos Mantención Sistema Fotovoltaico
(Muy bajo, básicamente limpieza)
Ahorros Caso Base DieselCosto y Transporte Combustible Mantención Generador Diesel
Inversión Generador (Si no se tiene uno)
Ahorros Caso Base Electricidad de la Red
Costo kWh (Total factura incluyendo cobros por energía y potencia)
Evaluación Económica
Costos e Ingresos (ahorros)
1. Costos de Inversión y Mantención Sistema Fotovoltaico.2. Ahorros asociados al desplazamiento de combustible o electricidad de la red según caso
base.3. Ahorros asociados al generador diesel al en los casos que se desplaza combustible
combustible.
Costos Estimados de Sistema Fotovoltaico para Riego
•Incluye instalación•No incluye motobomba y otros propios de toda instalación de riego.•SS: Sistema de Seguimiento.•Estimación en base a distintas cotizaciones a 2012.
Fuente: CER
Ejemplo de período de retorno de la inversión al desplazar diesel
•Vida útil sistema FV: 20 años (puede ser mayor).•Costo litro Diesel: $ 580•Tasa de descuento del 6%.
Fuente: CER
Hrs. anuales equivalentes mínimas para recuperar inversión en 20 años de vida útil con tasa del 6%.
Ejemplo de hrs. año de operación necesarias al desplazar electricidad
Fuente: CER
kWp 2 - 3 5 - 10 20 - 50 2 - 3 (SS)
Hrs/Año 2.000 1.550 1.340 2.700
La tabla indica las Hrs. equivalentes anuales mínimasde operación para recuperar inversión en 20 años devida útil con tasa del 6% y un costo de electricidad(total de la factura)por kWh de $100 pesos (a modode ejemplo).
www.cer.gob.cl
-Calculadoras (SST para ACS y FV)
-Documentos con información tecnológica
-Talleres RetScreen (software gratuito www.retscreen.net)
- Acceso a Explorador Solar y Eólico del Ministerio de Energía
- Directorio de Empresas de Energía Solar
- Información de Fondos Concursales e Instrumentos de Apoyo a Nivel Regional
Apoyo para el Desarrollo de Proyectos
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