Presentación TFM

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE LA ENERGÍA

ENERGÍA RENOVABLES

Ing. Zingmunth Turowiecki

Máster en Ingeniería de la Energía – Energías Renovables Universidad Politécnica de Madrid Madrid, 5 Marzo 2013

ANÁLISIS DE VIABILIDAD TÉCNICO – ECONÓMICA DE CENTRALES TERMOSOLARES

EN PAISES EN VÍA DE DESARROLLO




ENERGÍA RENOVABLES

ANÁLISIS DE VIABILIDAD TÉCNICO – ECONÓMICA DE CENTRALES TERMOSOLARES EN PAISES EN VÍA DE DESARROLLO

Realizado por: Ing. Zingmunth R. Turowiecki T.

Madrid, Marzo 2013

Tutor: Ing. Dr. Alberto Abanades Velasco




ENERGÍA RENOVABLES




ENERGÍA RENOVABLES

2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

3.1 Objetivo General

• Desarrollar un análisis de viabilidad técnica - económica de centrales termosolares en países en vía de desarrollo.

3.2 Objetivos Específicos

• Analizar referencias bibliográficas teóricas y prácticas referidas a las técnicas de evaluación de viabilidad técnico – económica de proyectos.

• Describir las distintas tecnologías de centrales termo solares de concentradores solares.

• Estimar costos de inversión y flujos generados por el negocio de generación de electricidad, con el fin de evaluar la rentabilidad de la planta.

• Realizar un estudio financiero que determine la rentabilidad de la inversión en una planta termosolar, ubicada en un país en vía de desarrollo




ENERGÍA RENOVABLES

EVALUACIÓN DE VIABILIDAD TÉCNICO DE PROYECTOS




ENERGÍA RENOVABLES

Aspectos a considerar en la evaluación Técnica

3. METODOLOGÍAS APLICADAS

3.1- Técnicas de evaluación de viabilidad técnico – económica de proyectos.

Localización

Tecnología Tamaño




ENERGÍA RENOVABLES

Radiación promedio anual sobre el planeta tierra. Fuente: http://www.ayre.com.mx/tecnosolar/energia_solar.html#quees.

RECURSO SOLAR DISPONIBLE EN LOS PAISES EN VÍA EN DESARROLLO




ENERGÍA RENOVABLES

CENTRAL TERMOSOLAR UBICADA EN AMÉRICA LATINA - CHILE

Sistema

Interconectado del

Norte Grande

(SING)

Sistema

Interconectado

Central (SIC)

Sistema de Aysén

Sistema de

Magallanes

Sistema Interconectado Chileno. Fuente: http://fisica.usach.cl/~websolar/interior/theproject.htm.

Radiación solar en Chile

Fuente: http://www.schueco.com/web/cl-

solar/home/techo_solar_chile/que_es_la_energia_solar/l

a_radiacion_solar_en_chile




ENERGÍA RENOVABLES

Sistema unifilar simplificado de SING. Fuente: Anuario 2010 y Estadística de Operación de Centro de Despacho Económico

de Carga del Sistema Interconectado del Norte Grande.




ENERGÍA RENOVABLES

EVALUACIÓN DE VIABILIDAD ECONÓMICA DE PROYECTOS




ENERGÍA RENOVABLES

Los países tienen una cierta flexibilidad para reducir

sus emisiones, ya que el Protocolo de Kioto

propone tres mecanismos flexibles para facilitar el

cumplimiento de los objetivos de reducción de

emisiones:

•El Mecanismo de Aplicación Conjunta (AC).

•El Mecanismo para un Desarrollo Limpio (MDL)

•El Comercio Internacional de Emisiones.

POLITICA DE PROMOCIÓN ENERGÉTICA

Protocolo de Kioto Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo

El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo es el

organismo de la ONU que promueve el cambio y conecta a los

países con los conocimientos, la experiencia y los recursos

necesarios para ayudar a los pueblos a forjar una vida mejor.

Está presente en 177 países y territorios, trabajando con los

gobiernos y las personas para ayudarles a encontrar sus propias

soluciones a los retos mundiales y nacionales del desarrollo.




ENERGÍA RENOVABLES

Criterios de evaluación de Viabilidad Económica


3.1- Técnicas de evaluación de viabilidad técnico – económica de proyectos.

Valor actual neto (VAN)

Tasa interna de retorno o de rendimiento

Período de recuperación del

capital (PR)




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SISTEMAS TERMOSOLARES DE CONCENTRACIÓN




ENERGÍA RENOVABLES

Concentradores Cilindro-

Parabólicos

Disco Parabólicos con

Motor de Stirling

Torre Central

Concentradores Tipo Fresnel





ENERGÍA RENOVABLES


Concentradores Cilindro-Parabólicos

Los componentes principales del campo solar de la tecnología cilindro-parabólica son: 1) El reflector cilindro-parabólico. 2) El tubo absorbedor. 3) El sistema de seguimiento del sol. 4) La estructura metálica. La eficiencia solar-eléctrica alcanzada por estas centrales está sobre el 15%.

Con este sistema se consiguen razones de concentración entre 70 y 100.

La tecnología cilindro-parabólica es la tecnología de centrales termosolares más desarrollada.




ENERGÍA RENOVABLES


Disco Parabólicos con Motor de Stirling

Los componentes principales son:

1) concentrador solar de alta reflectividad 2) receptor solar de cavidad. 3) motor Stirling o una microturbinaEl sistema de seguimiento del sol. 4) La estructura metálica. Este tipo tecnología es actualmente la más eficiente de todas las tecnologías solares, con cerca de 25% de eficiencia neta de conversión de la energía solar a eléctrica. Las razones de concentración también son las más altas, entre 1000 y 5000.




ENERGÍA RENOVABLES


Torre Central

Los componentes principales son:

1) Campo de helióstatos o espejos móviles 2) receptor solar situado en la en la parte superior de una torre. Las eficiencias solar-eléctricas alcanzadas por estas centrales están en el rango del 15- 20%. Los factores de concentración que se consiguen en este caso oscilan entre 600 y 1000.




ENERGÍA RENOVABLES


Concentradores Tipo Fresnel

La tecnología fresnel utiliza reflectores planos contiene los siguientes componentes:

1) Espejos planos normales. 2) Absorbedor concentrador solar de alta reflectividad. 3) sistema de seguimiento del sol. 4) La estructura metálica. Las eficiencias solar-eléctricas alcanzadas por estas centrales están en el rango de 8 a 10%. Se consiguen razones de concentración entre 30 y 70.




ENERGÍA RENOVABLES


Cilindro-parabólicos Rector Central Discos Parabólicos Fresnel

Maxima Potencia por central 80MW 20MW 140kW 5MW

Temperatura operación 390ºC 500 a 1500ºC 750º C Eficiencia solar-eléctrica

15% 15 -20% 25% 8-10%

Razón de concentración 70-100 600 - 1000 1000 -5000 30-47

Riesgo tecnológico Bajo Medio Alto Medio




ENERGÍA RENOVABLES

C

ILIN

DR

O

PA

RA

BÓ

LIC

OS

R

EC

EP

TO

R

CE

NT

RA

L

DIS

CO

PA

RA

BÓ

LIC

O

CO

NC

EN

TR

AD

OR

L

INE

AL

FR

ES

NE

L

Generación Eléctrica

• Plantas conectadas a la red eléctrica

• Máxima potencia por central hasta la

fecha: 80MW. Potencia total

construida: más de 500MW y más de

10GW en desarrollo

• Plantas conectadas a la red eléctrica


fecha: 20MW en construcción,

Potencia total ~50MW con al menos

100MW en desarrollo

• Sistemas pequeños independientes,

sin conexión a red o centrales más

grandes de discos conectados a la

red eléctrica


fecha: 140kW, propuestas para

100MW y 500MW en Australia y

EE.UU.)

• Plantas conectadas a la red, o

generación de vapor para su uso en

plantas térmicas convencionales.


fecha: 5MW en EE.UU., con 177MW

en proceso de desarrollo)

ventajas

• Ya en el mercado – más de 16.000 millones de kWh de

experiencia operativa; temperatura operativa potencial de

hasta 500°C (400°C probado comercialmente)

• Eficiencia neta anual de probado rendimiento de la planta del

15% (radiación solar a potencia eléctrica neta)

• Inversión y costes operativos probados comercialmente

• Modularidad

• Buen uso del terreno

• La menor demanda de materiales

• Concepto híbrido probado

• Capacidad de

almacenamiento • Buenas perspectivas a medio plazo para grandes eficiencias

de conversión, temperatura operativa potencial de más de

1000°C (565°C probado a escala de 10 MW)

• Almacenamiento a altas temperaturas

• Posible operación híbrida

• Mejores para refrigeración en seco que los cilindro

parabólicos • Mejores opciones para usar en lugares no llanos

• Eficiencias de conversión muy altas – conversión solar pico a

electricidad neta de más del 30%

• Modularidad

• Integra de la forma más efectiva el almacenamiento

• térmico en una central grande

• Experiencia operativa de primeros proyectos de demostración

• Fácil fabricación y producción en serie de piezas disponibles

• No requiere agua para refrigerar el ciclo

• Ya disponible

• Pueden adquirirse espejos planos y doblarse in situ, menos

costes de fabricación

• Posible operación

• híbrida

• Muy alta eficiencia solar alrededor del mediodía solar.

Desventajas

• El uso de medio de transferencia

térmica a base de aceite restringe

hoy las temperaturas operativas a

400°C, por lo que se obtienen sólo

calidades de vapor moderadas

• Los valores anuales de rendimiento

previstos, los costes de inversión y su

operación necesitan pruebas a mayor

escala en operaciones comerciales

• No hay ejemplos de uso comercial a

gran escala

• Objetivos de costes previstos de

producción en serie aún por probar

• Menor potencial de disponibilidad

para integración a la red

• Receptores híbridos aún en proceso

de I+D

• Reciente entrada en el mercado, sólo

hay pequeños proyectos operativos




ENERGÍA RENOVABLES

ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE INVERSIÓN Y FLUJOS GENERADOS POR

EL NEGOCIO DE GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD




ENERGÍA RENOVABLES

Irradiación diaria en el plano horizontal (Wh/m2)

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

7490 7180 6680 5680 4800 4040 4260 4840 5810 6950 7610 7820

IRRADIANCIA DIRECTA (B) EN EL PLANO INCLINADO (W/M2) ENE FEB MA

R

ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 383 378 382 0 0 0 0 0 0 376 413 421

7 477 474 481 431 385 295 316 330 386 472 511 518

8 565 562 569 512 459 362 385 403 465 559 601 609 9 639 635 639 573 512 409 434 457 528 630 677 686

10 694 689 689 614 544 437 463 492 571 682 733 743 11 728 721 718 636 559 449 477 511 596 713 767 779 12 739 732 727 643 564 453 480 517 604 724 779 790

13 728 721 718 636 559 449 477 511 596 713 767 779 14 694 689 689 614 544 437 463 492 571 682 733 743

15 639 635 639 573 512 409 434 457 528 630 677 686 16 565 562 569 512 459 362 385 403 465 559 601 609 17 477 474 481 431 385 295 316 330 386 472 511 518 18 383 378 382 0 0 0 0 0 0 376 413 421 19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 21 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 23 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 24 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Energía Eléctrica Producida MWh Horas Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Sep Octubre Nov Diciembre

1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

4 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

6 51,77 51,09 51,62 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 50,77 55,82 56,88

7 64,46 64,06 64,98 58,25 51,95 39,81 42,68 44,57 52,10 63,74 68,98 70,00

8 76,27 75,92 76,83 69,17 61,95 48,91 52,00 54,37 62,81 75,49 81,15 82,23

9 86,24 85,77 86,32 77,45 69,09 55,25 58,57 61,69 71,26 85,14 91,38 92,59

10 93,70 93,00 93,03 82,94 73,42 58,96 62,49 66,46 77,15 92,15 99,00 100,36

11 98,28 97,37 96,94 85,94 75,54 60,67 64,36 69,00 80,54 96,35 103,65 105,15

12 99,82 98,82 98,22 86,87 76,15 61,13 64,88 69,78 81,63 97,74 105,21 106,76

13 98,28 97,37 96,94 85,94 75,54 60,67 64,36 69,00 80,54 96,35 103,65 105,15

14 93,70 93,00 93,03 82,94 73,42 58,96 62,49 66,46 77,15 92,15 99,00 100,36

15 86,24 85,77 86,32 77,45 69,09 55,25 58,57 61,69 71,26 85,14 91,38 92,59

16 76,27 75,92 76,83 69,17 61,95 48,91 52,00 54,37 62,81 75,49 81,15 82,23

17 64,46 64,06 64,98 58,25 51,95 39,81 42,68 44,57 52,10 63,74 68,98 70,00

18 51,77 51,09 51,62 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 50,77 55,82 56,88

19 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

20 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

21 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

22 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

23 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

24 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Total 1.041 1.033 1.038 834 740 588 625 662 769 1.025 1.105 1.121

31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

32.280 28.930 32.168 25.030 22.942 17.650 19.377 20.521 23.081 31.776 33.155 34.757

321.666 MWh

Energía Generada anual [GWh]

Capacidad nominal de generación [MWe]

Energía eléctrica al año GWh

100 320,74

150 480,33

200 639,93

250 801,07




ENERGÍA RENOVABLES

EVALUACIÓN DE LOS COSTO DE INVERSIÓN Y OPERACIÓN


Costo de estructuras soportantes de

colectores parabólico

Costo de tubos receptores de calor

Costo de reflectores parabólicos

Costo de fluido térmico

Costo de equipo intercambiador de

calor

Costo de bloque de potencia

Costo de sistema de seguimiento solar

Costo de sistemas electrónicos y de

control

Costo de tuberías de interconexión y

conectores Costo de obras civiles

Costos adicionales Costo de elaboración

de proyecto MDL

Costo de línea de interconexión al

sistema Costo proyecto MDL

Costo línea de transporte de energía

Costo del personal de la planta

Costos de partes y recambios

Costo del agua




ENERGÍA RENOVABLES

ÁREA TOTAL DE CAMPO DE CCP

Capacidad nominal de

generación [MWe] 100 150 200 250

Área de Colectores [m2] 832.760 1.246.960 1.661.160 2.079.720

Área de Colectores [Ha] 83,28 124,70 166,12 207,97

Costo total de inversión

Capacidad nominal de generación

[MWe] 100 150 200 250

Costo de Estructura Soporte 42.887.140,00 64.218.440,00 85.549.740,00 107.105.580,00

Costo del montaje de la Estructura

Soporte 12.866.142,00 19.265.532,00 25.664.922,00 32.131.674,00

Costo de HCEs 22.317.968,00 33.418.528,00 44.519.088,00 55.736.496,00

Costo de los Reflectores Parabólicos 22.317.968,00 33.418.528,00 44.519.088,00 55.736.496,00

Costo del fluido térmico 6.674.571,40 9.994.384,40 13.314.197,40 16.668.955,80

Costo del Intercambiador de Calor 9.200.000,00 11.100.000,00 12.800.000,00 13.797.500,00

Costo Total Bloque de Potencia + BOP 77.353.361,08 105.941.754,84 131.335.696,33 156.253.162,84

Costo de seguimiento solar 9.993.120,00 14.963.520,00 19.933.920,00 24.956.640,00

Costo del sistema de control 13.324.160,00 19.951.360,00 26.578.560,00 33.275.520,00

Costo del Tuberías de interconexión y

conectores 15.822.440,00 23.692.240,00 31.562.040,00 39.514.680,00

Costo de Obras civiles 17.487.960,00 26.186.160,00 34.884.360,00 43.674.120,00

Costos adicionales 17.487.960,00 26.186.160,00 34.884.360,00 43.674.120,00

Costo proyecto MDL 254.171,40 324.473,30 383.077,99 441.567,47

Costo línea de transporte de energía 480.000,00 480.000,00 480.000,00 480.000,00

Costo Total [$] 268.466.961,88 389.141.080,54 506.409.049,72 623.446.512,12

Costo total de operación y mantenimiento.


[MWe] 100 150 200 250

Costo de personal [$] 683.114 790.856 898.598 1.007.170

Costo de materiales y servicios [$] 1.082.588 1.621.048 2.159.508 2.703.636

Costo agua + desmineralizante [$] 612.215 916.813 1.221.412 1.529.029

Costo total O&M [$] 2.377.917 3.328.717 4.279.518 5.239.835

Costo total O&M [$/kWh] 0,00741 0,00693 0,00669 0,00654




ENERGÍA RENOVABLES

Costo de sistemas de enfriamiento húmedo y seco


[MWe] 100 150 200 250

Costo del condensador de agua $ 3.207.394 4.803.334 6.399.283 8.010.735

Costo de condensador de aire $ 22.451.755 33.623.339 44.794.979 56.075.148

Diferencia de costos 19.244.361 28.820.005 38.395.696 48.064.413

Incremento de potencia y energía de ventiladores



POTENCIAS

Ventilador humedo kWe 2,49 3,72 4,96 6,21

Ventilador seco kWe 5,35 8,01 10,66 13,35

Diferencial kWe 2,86 4,28 5,71 7,14

ENERGÍAS

Ventilador humedo MWhe/año 6,57 9,85 13,12 16,42

Ventilador seco MWhe/año 13,62 20,40 27,17 34,02

Diferencial MWhe/año 7,04 10,55 14,05 17,59

Costos Totales del Bloque de Potencia + BOP + Sist. Enfriamiento seco



Costo Total [$/kWe] 77.353.361 105.941.755 131.335.696 156.253.163

Bloque de Potencia + BOP.




ENERGÍA RENOVABLES

Energía Generada anual [GWh]


Energía eléctrica al año GWh

100 320,74

150 480,33

200 639,93

250 801,07

Ingresos netos por venta de energía eléctrica (69,354 $/MWh)


[MWe]

Energía eléctrica al año

[$] 100 22.244.068,41

150 33.312.311,93

200 44.380.610,63

250 55.556.434,58

Ingreso por venta de CER [$]


[MWe]

Ingreso por venta de CER [$]

100 2.807.009,90

150 4.203.732,14

200 5.600.454,38

250 7.010.750,79

Ingreso por potencia firme


[MWe]

Ingreso por potencia firme $

100 2.120.873,20

150 3.181.309,80

200 4.241.746,40

250 5.302.182,99

Potencia firme de la central termo solar.


Potencia Firme MW

100 19,62

150 29,43

200 39,24

250 49,05

ERY= 0,5603· Gy

Precios de los CERs

El precio actual de los CER ≈ 15,62 $.

Precio marginal de la energía 69,354 $/MWh

Energía eléctrica generada y toneladas de CO2 reducidas por año

Capacidad nominal de generación [MWe] 100 150 200 250

Energía eléctrica al año GWh 320,73 480,32 639,91 801,06 Emisiones de la planta en toneladas de CO2 equivalentes

179.706 269.125 358.544 448.832

Precio de la potencia firme 9,0087 $/kWh/mes




ENERGÍA RENOVABLES

RESULTADOS




ENERGÍA RENOVABLES

4. RESULTADOS




ENERGÍA RENOVABLES

•Se demostró la viabilidad técnica-económica de centrales termosolares en países en vía de desarrollo, particularmente con la utilización del mecanismo de desarrollo limpio, propio del protocolo de Kioto; en regiones definidas como áridas o semiáridas, con poca nubosidad, a fin de reducir la interferencia en los valores de radiación directa.

• Este trabajo permite disponer de un mecanismo normalizado para la evaluación técnica-económica de centrales termosolares, tomando en cuenta el precio marginal de la energía, el coste de oportunidad del agua, los certificados la emisión de carbono por la reducción de emisiones e incluso la incorporación de trabajo en conjunto con plantas de generación convencional.

• En el análisis de sensibilidad realizado, tomando en cuenta la variación del precio marginal de la energía para los diferentes tamaños de plantas, se determinó el precio mínimo de venta que garantiza la recuperación de los costes (inversión, operación y mantenimiento). De tal manera que sirve como un indicador o referencia, para la toma de decisión en la implementación de plantas termosolares de colectores cilíndricos parabólicos.

5. CONCLUSIONES




ENERGÍA RENOVABLES

•Para un precio de la energía eléctrica de 80 USD/MWh, la planta termosolar solo es rentable, si la capacidad nominal es igual o superior a 150 MWe. Esta particularidad se debe a que se presentan las ventajas de economías de escala, debidas básicamente al bloque de potencia y al equipo intercambiador de calor.

• Se calculó que para que la planta termosolar de 100 MW sea rentable con un precio de la energía eléctrica de 60 USD/MWh, debe existir una producción de energía eléctrica con carbón de al menos 50% de la capacidad de la planta, mientras que para una planta de capacidad de 250 MW solo se requiere un 30%.

• En el presente trabajo se confirmó el beneficio de la utilización de los certificados de emisión de carbono, debido a la reducción gases de efecto invernadero que se logran por la construcción de plantas termosolares en países en vía de desarrollo.

5. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos en el caso específico del Sistema Interconectado del Norte Grande (SING):




ENERGÍA RENOVABLES

6. RECOMENDACIONES

• A los futuros desarrollos en ese campo, se propone investigar sobre los incentivos necesarios a nivel estatal, que permitirían a esta tecnología competir de mejor manera con otras tecnologías de generación eléctrica más contaminantes, como por ejemplo el carbón.

• Realizar un estudio en el que se tome en cuenta las variaciones en costos de la tecnología de colectores cilíndricos parabólicos, a fin de determinar el porcentaje de disminución de dichos costos, para que una planta sea rentable.

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Presentación TFM