Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red en México: Situación Actual y Perspectivas

Jorge M HuacuzUnidad de Energías No Convencionales

Instituto de Investigaciones EléctricasCuernavaca, Méxicojhuacuz@iie.org.mx

Taller Internacional sobre Generación Distribuida con Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red

Cusco, Perú, Noviembre 2, 2010

El Sistema Eléctrico Mexicano• Una empresa eléctrica estatal,CFE• Otros actores:

Productores independientes Auto-abastecedores Co-generadores Pequeños generadores Exportadores

• Más de 55 GW de capacidad instalada

• Demanda crece al 5% por año• Mayor capacidad requerida para

los próximos años• 76.5% generado con combustibles

fósiles• Muy baja participación de las

energías renovables no convencionales

Tipo de Combustible

Combustible fósil Hidroelectricidad Nuclear Geotermia Viento

Sistema Nacional de Transmisión y Distribución

COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA: ZONA MEXICALI (DIA TIPICO)

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24HORA

MVA

Verano Invierno

Demanda Máx: 16:30 hrs

Horario punta: 12 a 18:00 hrs

Motivación para la Línea de I+D

-

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

kWh/

mes

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

Mes

Consumo de energía de un usuario de tarifa DAC en Mexicali vs producción FV

Demanda de energía Energía consumida en horario FV Prod. FV 6 kWe

• Sistema BC no conectado a la red nacional; generación con gas importado

• Demanda eléctrica en verano 2-3 veces mayor que en invierno por uso de aire acondicionado

• Consecuencias: Menor eficiencia

termodinámica de centrales generadoras

Exceso de capacidad en invierno

Mayores inversiones en subsistema de distribución

Mayores costos de mantenimiento

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

Red Eléctrica

Generador FV

Medidor Bidireccional

Cargas Eléctricas

Inversor FV

CONFIGURACIÓN BÁSICA DEL SISTEMA

En operación220 casas, 1kW c/uPrimer vecindario FV en MéxicoMexicali2006-a la fechaGob.BC-CFE-IIE

En operación~10, 1-2 kW c/uContratos comerciales con medición neta

Tijuana,GuadalajaraRegión Laguna

2008Usuarios domiciliarios

En operación30Prueba piloto autogeneración comercial

Ciudad de México2005-a la fechaIIE-LFC-IP

En operación6.5Prueba piloto usuario DACLa Paz, BCS2006-a la fechaIIE-CFE-IP

En operación1Prueba de concepto autogeneración institucional

Nuevo León2002- a la fechaIIE-IP

Desmantelado1.5Prueba de concepto autogeneración

Hermosillo2001- 2006IIE-CFE

Desmantelado1.5 – 2 kW cada uno4 sistemas: evaluar beneficios a red y a usuarios; probar tecnologías

Mexicali2000- 2006IIE-CFE

Desmantelado1.5Prueba de concepto autogeneración

Mexicali1999-2000IIE-CFE

Desmantelado1.7Investigación del sistemaCuernavaca1997-1999 IIE

Situación Actual

Potencia Pico (kW)

ObjetivoLocalidadAño

Las Primeras Experiencias

Proyectos Piloto Período 1997 - 2002

1. Cuernavaca (IIE)

2. Mexicali

3. Hermosillo

4. Monterrey

1 2

3 4

Instalaciones piloto-demostrativas

Casa 1

Casa 2

Casa 3 Casa 4Casa 2

SIP4CIS1

Potencia promedio demandada en el transformador de distribución: Mexicali

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4

6

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SEPTIEMBRE 2001 (Promedio Mensual)

Pote

ncia

real

y re

activ

a (K

w -

Kvar

s)

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Tem

pera

tura

(ºC

) y

F.P

. (%

)Pot. real Pot. reactiva Potencia estimada sin FV (Ref.) Temp. en el transf. Factor de potencia

Efecto de Nivelación de Carga en la Vivienda (Agosto 1999)

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0

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Dem

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ts)

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Tem

pera

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)

Demanda Promedio a la Red con FV Aportación FV PromedioDemanda Promedio de la Vivienda Temperatura Ambiente Promedio

Inyección a red en la vivienda (Promedio mensual)

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AGOSTO 2001

Dem

anda

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ts)

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30

35

40

45

Demanda con FVAportación FVDemanda en la viviendaTemperatura Ambiente

Reducción de demanda pico

Inyección a red

Beneficios al usuario:

•Menor consumo de red

•Tarifas eléctricas más bajas

•Sombreado de la vivienda

Beneficio al sistema:•Alivio de la red•Menores costos de mantenimiento•Menores inversiones en capacidad•Menores pérdidas por transmisión y distribución•Menores pérdidas por ineficiencia termodinámica

Beneficios Derivados

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 técnicoBeneficios económicos al usuario

Beneficios técnicos a redEstudios de máxima penetración

Beneficios al sistema eléctrico

SFVI en Mexicali, B.C.

311 KWH

158 KWH

63 KWH

ENERGIA GENERADA POR EL PANEL SOLAR = 158KWH

ENERGIA ENTREGADA A CFE = 63 KWHENERGIA ENTREGADA POR CFE = 311 KWH

ENERGIA FACTURADA = 311 – 63 = 248 KWHENERGIA CONSUMIDA REAL = 311 + 158 – 63 = 406 KWH

IMPORTE POR 248 KWH = $ 242.32

IMPORTE POR 406 KWH = $ 609.29

BENEFICIO = $ 366.97

BOLSA DE ENERGIA = 0 KWH

Ejemplo 1

Beneficio Económico al Usuario

87 KWH

170 KWH

129 KWH

ENERGIA GENERADA POR EL PANEL SOLAR = 170 KWH

ENERGIA ENTREGADA A CFE = 129 KWH

ENERGIA ENTREGADA POR CFE = 87 KWHENERGIA 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

BOLSA DE ENERGIA = 42 KWH

Ejemplo 2

Beneficio Económico al Usuario

6 kWp La Paz, Baja California Sur

Generador fotovoltaico en la 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)

Si el consumidor genera localmente parte importante 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)

6 kWp

6 kWp La Paz, Baja California Sur

Desempeño 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 la facturación- de $28,000.00 M.N. Aprox. El usuario pagó el 59% del monto de la facturación que hubiese tenido si toda la electricidad utilizada en la vivienda la demandara de CFE.

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

Aplicaciones en Comercios

Sistema de acondicionamiento de potencia

(2) Transformadores de aislamiento Delta-Estrella

(2) Inversorestrifásicos Xantrex de 15 KW

Resultados operacionales en “The Green Corner”

Datos del Generador FotovoltaicoPotencia Nominal [kWp] 30.6Área del Generador [m2] 263.41Tipo de Módulos Si cristalinoÁngulo de Inclinación del Arreglo 19ºAzimut 0º

Datos del Inversor

Potencia Nominal [kW] 15Voltaje de Entrada [VCD] 408-521

Datos ClimatológicosIrradiación en el Plano del Arreglo [kWh/m2] 1733.4Irradiación Diaria Promedio [kWh/m2-día] 4.7Irradiación Total (P. Arreglo) [kWh] 456603.4Temperatura Ambiente Promedio [ºC] 17.8Temperatura de Módulos Promedio [ºC] 21.9

Balances de EnergíaEnergía Producida por el Arreglo FV [kWh] 35818.3Energía Entregada por el Sistema [kWh] 29733.6Energía Entregada a CFE [kWh] 7111.0Energía Consumida de CFE [kWh] 72501.9Consumo en el Inmueble [kWh] 95124.5

Potencia Máxima RegistradaPotencia Máxima de Salida [W] 23551.7Día 288.0Hora 1140Irradiancia W/m2 1077.4Temperatura Ambiente [ºC] 20.7Temperatura de los Módulos [ºC] 45.0

Producción Normalizada / PérdidasProducción de Referencia [kWh/m2] 1733.4Producción Generador FV [kWh/kWp] 1170.5Producción Final de la Planta [kWh/kWp] 971.7Pérdidas por Paro Forzado [kWh/m2] 55.3Pérdidas de Captación [kWh/kWp] 507.6Pérdidas Acond. de Potencia [kWh/kWp] 198.8

Eficiencia PromedioEficiencia del Generador FV 8.1%Eficiencia Sist. Acond. Pot. 82.9%Eficiencia de la Planta 6.7%

Otros Índices de DesempeñoTiempo de Paro [Hrs.] 129.17Disponibilidad de la Planta 97.1%Relación de Desempeño 54.5%Factor de Planta 11.1%

Junio 2006- Mayo 2007

Resultados operacionales en The Green Corner

Datos climatologicos

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Irradiacion en el plano del Arreglo (KWh/m2) Temperatura Ambiente Promedio Temperatura de los módulos FV promedio

2007 2006

Datos climatológicos Reducción de la demanda en el inmueble (junio, 2006)

De la irradiación captada en el plano del arreglo FV (1,733 kWh/m2.año), el 63.8% de ésta se captó con valores de irradiancia entre 550 y 900 W/m2.

El 31.2% del total de la energía utilizada en el inmueble fue proporcionada por el SFVI.

260.6 kWh/día

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JUNIO 2006

Dem

anda

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ts)

0

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Demanda con FV Aportación FV Demanda en el inmueble Temperatura Ambiente

174kW; Wal-Mart de México (Aguascalientes, AGS. 2009)

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.

• 1,056 MFV que ocupan el techo de la tienda Aurrerá (2, 173.5 m2). • El SFV generará 265,641 kWh/año; el 20% de la energía que la tienda requiere anualmente.• Se evitará la emisión de 140 toneladas de CO2 al ambiente. • 2 millones de USD • Desarrollado por G3 Servicios Ambientales

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

Sistema Institucional 60 kWp UAM-I, México DF

Estructura para la instalación de Módulos FV

Cuarto de Inversores (antes) Cuarto de Inversores

Patrón de demanda eléctrica

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Actual Aportación del SFVI Con un SFVI de 60 kWp

Sin generación FV

Con generación FV

Contribución FV en Edificio de Oficinas

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Hora del día

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Actual Aportación del SFVI Con un SFVI de 60 kWp

Sin generación FVSin generación FV

Con generación FVCon generación FV

Estudio de Penetración a Red

Miguel

Zona Costa Zona

Valle

4

3

1

6

7

2

5

Hasta 800 MW

Imperial Valley

Hasta 520 MW

1. Central Ciclo Combinado Mexicali (InterGen, La Rosita) PIE: 489 MW (autorizados 597 MW) Exportación: hasta 636 MW

2. Central geotérmica Cerro Prieto (CFE) 720 MW

3. Central turbogás Mexicali (CFE) 62 MW

4. Termoeléctrica de Mexicali (SEMPRA) Exportación: 625 MW, autorizados 680 MW

5. Centra eólica La Rumorosa 10 MW (autoabastecimiento, CEE de BC, 2010)

6. Central Presidente Juárez (TC/ CC/ TG, CFE) 1026 MW

7. Turbogás Ciprés (CFE) 28 MW

Generación FV máxima permisible en Mexicali para condiciones de carga del 2007

Estudio de Penetración a Red

Días Crítíticos

Máximos permisibles Escenario bajo Escenario medio Escenario alto 2010 2017 2010 2017 2010 2017

Capacidad FV interconectada máxima permisible, MW

81 323 98 399 118 469

Métricas de penetración Penetración 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%

Penetración máxima permisible de SFVI en Mexicali

Estudios de Penetración

Foto Red 100• Iniciativa CFE para incorporar 100 MW de SFV a la red del Sistema Baja California

• Estudios preparatorios en proceso

Vecindario FV•Seguimiento del estado físico y

operativo de los sistemas• Evaluación del grado de

satisfacción de los usuarios y evolución de patrones de consumo

eléctrico•Análisis de beneficios para

usuarios y red Especificaciones Técnicas CFE

Oportunidades enRegiones No Críticas

• Analizar oportunidades y barreras para la aplicación de SFV conectados a red en regiones de clima no extremo

Identificación y Remoción de Barreras (GEF-PNUD)

Cursos de diplomado en SFV para:

• Ingenieros de CFE-Distribución

• Profesores Universitarios

• Personal de empresas

Talleres y conferencias

Material promocional

Otras Iniciativas en Curso

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

Pros y Contras Los Impulsores

Tarifas eléctricas crecientes Buen recurso solar Medición neta para usuarios

domiciliarios y pequeños comercios OK

Contrato de interconexión a red para grandes autoabastecedores OK

Depreciación acelerada para inversiones amigables con el ambiente

Cero impuestos de importación para equipo amigable con el ambiente

Nueva Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables

“Tech apeal”

Las Barreras× Desconocimiento generalizado de

la tecnología × Altos requerimientos de inversión× Primas e incentivos económicos

fuera de posibilidad× Ventas directas a CFE con base

en $/kWh, no competitivas× La generación distribuida, en

contra del paradigma “lo más grande es mejor”

× Cadenas de valor pendientes de implementar en la economía nacional

× Disponibilidad de petróleo, “freno mental” para el cambio

× Carencia de personal técnico calificado para la identificación y desarrollo de proyectos

¿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

Inversor FV de 1 KVA

Ajustes, Pruebas Piloto y Desarrollo de Interfaz Gráfica

Inversor FV de 1 KVA Prototipo Electrónico Industrial

• Desarrollo del gabinete

• Pruebas en campo y certificación

Estado Actual

Avance Pendiente

Prototipo Industrial

Producto Comercial

Rumbo al Prototipo

comercial

Licenciar la tecnología desarrollada

IIE

Empresa

Evolución del Inversor Fotovoltaico Espiga I

Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE)

Gracias.....www.iie.org.mxjhuacuz@iie.org.mx