En mayo de 2004 el Sistema Electro-Energético Nacional se vio seriamente afectado, al producirse una avería durante un mantenimiento planificado de la termoeléctrica Antonio Guiteras. En ese contexto surge, como iniciativa de Fidel Castro, la Revolución Energética. Lo que comenzó como solución a un problema crítico se convirtió en una estrategia de uso racional de la energía.
La publicación de la Norma Internacional ISO 50001, el 15 de junio de 2011, adoptada en nuestro país en diciembre del propio año, proporcionó los requisitos que debe tener un Sistema de Gestión de la Energía, en una organización, para ayudarle a mejorar su desempeño energético, aumentar su eficiencia y reducir los impactos ambientales, como resultado de un enfoque integral en el que se combinen acciones y medidas técnico organizativas con proyectos de inversión; estableciendo objetivos, metas, y planes de acción que tengan en cuenta los requisitos legales y la información relacionada con el uso de la energía, incluyendo la medición, documentación e información, las prácticas para el diseño y la adquisición de equipos, sistemas, procesos y el personal que contribuye a su desempeño energético.
Con la implantación de la NC-ISO 50001:2011ISO. 2011. ISO 50001 (2011). «Sistemas de gestión de la energía- Requisitos con orientación para su uso. Ginebra: Organización Internacional de Normalización»., la empresa dispone de flexibilidad para aplicar su SGEn, es decir, determina el ritmo de avance, la extensión y la duración del proceso de mejora continua y define en su alcance y límites, lo que se incluye en su Sistema de Gestión.
La gestión del consumo y planes operativos de electricidad se han enfocado en dos direcciones fundamentales: la gestión eficiente de los planes de electricidad de cada uno de los servicios y la participación consciente de todo el personal de la organización, incluido el personal externo que trabaja para ella; acciones que permitan lograr un cambio de hábitos en el uso y consumo de la energía eléctrica y contribuyan a fortalecer la cultura energética de la empresa.
Como política energética de la empresa, la sistemática identificación y priorización de las oportunidades de mejora en el desempeño energético, representa uno de los aspectos más relevantes del sistema de gestión de la energía.
En virtud de lo anterior, la instalación de un sistema fotovoltaico de inyección a red, le proporciona a la empresa las ventajas siguientes:
Al generar en el mismo punto en que se produce el consumo, se eliminan las pérdidas en la transmisión y de distribución de la energía eléctrica.
Son sistemas modulares, lo que facilita su flexibilidad para adaptarse a diferentes tipos de aplicaciones y su instalación es relativamente sencilla.
Tienen una larga duración. La vida útil de una planta fotovoltaica, la define la vida útil de sus componentes, principalmente el generador o módulo fotovoltaico, que constituye más de 50 % del valor de la instalación. Los módulos tienen una vida esperada de más de 25 años, y existen módulos de instalaciones aisladas de red que llevan funcionando más de 30 años sin problemas.
No requieren apenas mantenimiento. El mantenimiento es escaso y no solo es conveniente hacerlo en las horas nocturnas para tener una disponibilidad diurna máxima, sino que es necesario para evitar que existan tensiones en los generadores.
Las instalaciones fotovoltaicas son de una alta fiabilidad y disponibilidad operativa, del orden de 95 %.
La producción eléctrica fotovoltaica ocurre sin combustión y a un nivel de temperatura comparativamente bajo. Los componentes, por consiguiente, no sufren carga térmica, tal y como es habitual, por ejemplo, en las calderas de calefacción.
La obtención de energía eléctrica a partir de una fuente de energía solar fotovoltaica, contribuye eficazmente a la reducción de emisiones de CO2 y en menor medida de SOx. Cada kWh generado con energía solar fotovoltaica evita la emisión a la atmósfera de aproximadamente 1 kg de CO2, en el caso de comparar con generación eléctrica con carbón, o aproximadamente 400 g de CO2 al comparar con generación eléctrica de gas natural.
Para el éxito del SGEn, además de lograr el nivel de competencia requerido en el personal asociado a los usos significativos de energía, la identificación e implementación de oportunidades de mejora constituye un elemento fundamental para el SGEn diseñado; pues se necesita de la participación consciente de todo el personal de la organización, incluido el personal externo que trabaja para ella.
En este sentido, durante la identificación de oportunidades de mejora el foco de atención se centra en las prácticas operacionales; es decir, en identificar las buenas prácticas de operación y potenciarlas en un futuro; en los aspectos tecnológicos, en detectar potenciales de ahorro a través de inversiones, remodelaciones o introducción de nuevos equipos y tecnología y en las ideas del personal asociado a los USEn y Auditorías Energéticas. Siempre teniendo como premisas que la elevación de la eficiencia energética puede alcanzarse por dos vías fundamentales, no excluyentes entre sí: adquisición de nuevos equipos y tecnologías de alta eficiencia (inversión) lo cual requiere de mayores inversiones, pero el potencial de ahorro es más alto y mejor gestión energética, y a través de buenas prácticas de consumo, de operación y mantenimiento (administración de energía-medidas técnico organizativas) a menor costo, pero los resultados son más difíciles de conseguir y mantener.
El objetivo de este trabajo es realizar una evaluación de las especificaciones de adquisición de servicios de energía, productos, equipos y energía, para la instalación de un sistema fotovoltaico de inyección a red que sea capaz de generar el consumo eléctrico total de la empresa, y el dimensionamiento de los principales equipos y componentes que componen el sistema fotovoltaico.
En dicho sistema se dispondrá de todo el equipamiento para el monitoreo total de la instalación, permitiendo visualizar todos los parámetros del sistema fotovoltaicoy el de la red nacional en tiempo real.
La Empresa de Servicios Técnicos y Especializados de Cienfuegos, pertenece a la Unión Eléctrica (UNE), y define como política: prestar servicios técnicos y especializados de montaje, mantenimiento, modernización y reparación a equipos de manera segura, eficaz, y a demanda de su tecnología con equipos que garanticen la exactitud y confiabilidad requeridas, mediante un proceso de innovación y producción más limpia que satisfaga las necesidades y expectativas de los clientes; con un enfoque global de pensamiento basado en riesgos para aprovechar oportunidades y prevenir resultados no deseados; promoviendo el desarrollo y bienestar de los recursos humanos, la creación colectiva y la participación de los trabajadores con un profundo respecto al medio ambiente a través de la prevención de la contaminación y la reducción del consumo de portadores energéticos.
Está ubicada en Carretera Castillo de Jagua km 4 1/2, Ciudad Nuclear, Cienfuegos, en los locales que ocupaba la Planta Electro Nuclear de Juraguá, en las coordenadas 22,06302 latitud norte y los 80,46872 de Latitud oeste, a unos 15 km al suroeste de la ciudad de Cienfuegos con la bahía entre los dos lugares, en un terreno llano y con pocos árboles que en algunos casos proyectan sombra sobre las áreas donde se prevé montar paneles, en cuyos casos habrá que tomar alguna decisión al respecto; no obstante durante el estudio se verá si hay que podar algún árbol o si las áreas que no tendrán sombra son suficientes para colocar la cantidad de paneles cuya generación abastezca las necesidades eléctricas de la Empresa.
La Empresa se encuentra situada en un lugar privilegiado con relación a la energía solar que recibe. En la tabla 1 se puede apreciar que el valor promedio anual de la energía solar que se recibe en la superficie horizontal es de 5,32 kilowatt-hora por metro cuadrado en un día, lo que es mayor que el promedio anual de Cuba de 5. También se puede apreciar que el valor del coeficiente de transparencia de la atmósfera es siempre mayor que 0,5 y en abril, julio y agosto es superior a 0,6.
La Empresa está situada en el meridiano 80º 46´ y sin embargo, el meridiano de referencia horaria para Cuba es el de Yateras, o sea, el 75o, de ahí que la diferencia entre el horario solar y el horario oficial sea como valor promedio en invierno de 22 minutos. A esa diferencia se le suma el horario de verano que es de una hora y da un valor promedio de una hora con 20 minutos.
En la tabla 2 se puede apreciar que en verano la diferencia entre el horario solar y el oficial es de aproximadamente una hora y veinte minutos en los meses de verano, y de 20 minutos en los de invierno, valor que depende del día del año.
También en la tabla 2 se puede apreciar la duración del día solar en dependencia del día del año. El día más largo es el solsticio de verano (21 de junio) y en Cienfuegos dura 13 horas con 22 minutos, mientras que el más corto, el solsticio de invierno (21 de diciembre), dura 10 horas con 38 minutos.
Cienfuegos, como toda Cuba se caracteriza por tener una alta nubosidad. Cuando hay poca nubosidad hay mucha radiación directa, y cuando hay mucha nubosidad hay poca radiación directa y mucha difusa. No obstante, los paneles fotovoltaicos aprovechan tanto la radiación difusa como la directa. La alta nubosidad es uno de los factores que influyen en la importancia o no de los sistemas de seguimiento solar para los paneles fotovoltaicos en el aumento de la eficiencia. Es precisamente por la alta nubosidad de Cuba que se recomienda poner los paneles fotovoltaicos en una posición fija, orientada hacia el Sur en la mayoría de los casos.
En la tabla 3 se puede determinar la composición de la radiación en Cienfuegos entre la directa y la difusa y se hace evidente la alta composición de la radiación difusa. Se aprecia que en febrero, en junio y en noviembre, la radiación difusa es superior a 40 %.
Para los efectos del cálculo de una instalación fotovoltaica se hace necesario conocer no solamente la radiación en el plano horizontal sino la que recibe el plano del panel en dependencia de su inclinación. También es necesario conocer la temperatura del aire, pues la eficiencia del panel depende de esa temperatura, cuando el panel se calienta, baja la eficiencia de generación.
Cuando los sistemas fotovoltaicos son conectados a la red nacional el ángulo de inclinación debe ser alrededor o inferior al ángulo de la latitud del lugar, siempre que se garantice la limpieza de los paneles; en el caso que nos ocupa el ángulo de inclinación de los paneles será de 15 grados respecto a la horizontal.
En la tabla 4 se muestra el listado de los locales estudiados con las áreas disponibles.
Los paneles se colocarán en los techos de los edificios y en el suelo con un ángulo de inclinación de 15 grados respecto al plano horizontal, con esto se logra que se puedan instalar hasta con 30 grados de azimut sin perder en la generación eléctrica de los mismos, y habrá que tenerlo en cuenta para que las filas de paneles no proyecten sombra unas a otras. Los locales objeto de estudio, todos están orientados con 30 grados de azimut, excepto el comedor de fertilizante que tiene 15 grados.
Como se puede apreciar en la tabla 5 el consumo de la Empresa en 2017 fue de 431,3 MWh, 2018 de 445,37 MWh, y en 2019 402,19 MWh, por lo que se necesita una gran cantidad de áreas disponibles en los techos y otros lugares para colocar la cantidad de módulos fotovoltaicos que generen la energía eléctrica necesaria.
Para la selección de los lugares donde se van a colocar los paneles solares fotovoltaicos, así como para la determinación de la separación entre paneles para que no se den sombra entre ellos, es necesario conocer la trayectoria solar durante el día y en todos los días del año. La sombra de edificaciones altas como las chimeneas y arbolespueden ser muy perjudiciales y limitar el área útil de las azoteas.
En los techos de los locales estudiados se tuvo en cuenta este fenómeno y se realizaron los cálculos para que las filas de paneles no se dieran sombra unas a otras, resultando que con 2,4 m entre el comienzo de filas no se proyectará dicha sombra en los horarios de 8 a 4 de la tarde.
Los módulos fotovoltaicos que se proponen instalar en todos los lugares serán de 250Wp, de 60 celdas y con dimensiones de 1660x990mm; los inversores serán de diferentes potencias acorde a la cantidad de módulos de cada local, pero todos serán trifásicos para facilitar el balance de las líneas eléctricas internas de los edificios.
En todos los lugares los paneles solares se colocarán con 15 grados de inclinación y orientados según el edificio, por lo que todos los que están en los techos tendrán un azimut de desviación respecto al sur.
Una vez que se conecten los sistemas fotovoltaicos a las redes de la Empresa, los transformadores que la alimentan trabajarán más descargados, de igual forma se mejorará el factor de potencia, pues los sistemas fotovoltaicos trabajan con factor de potencia uno, e incluso los inversores pueden programarse para que entreguen reactivo a la línea en que se conecten (Tabla 6).
En las Figs. 2-8, los módulos fotovoltaicos están colocados con la parte más larga en la vertical.
Como se expuso antes para realizar los cálculos de la producción de energía de la central fotovoltaica a proyectar, se hace necesario disponer de los datos de radiación solar de cada sitio donde se instalaran dichas centrales. A partir de los valores de radiación solar, eficiencias de los diferentes equipos, ángulo de inclinación de los paneles y temperatura ambiente, con esta información podemos calcular la energía generada por la instalación para cada día, cada mes y la del año en (kWh/día), (kWh/mes) (Tabla 7).
Para estos cálculos, además de los valores que aparecen en esta tabla, como son temperatura media, la radiación, etc. Se utilizaron, los parámetros técnicos siguientes de los paneles (dados por los fabricantes):
Coeficiente de disminución de P vs. T del módulo: 0.45 %/oC
NOCT del módulo fotovoltaico: 46oC
Eficiencia del inversor inyección a red FV: 98 %
Eficiencia general del sistema: 95 %
Ángulo de inclinación del arreglo (óptimo): 15 o
Coeficiente por envejecimiento y suciedad: 0,97
Para los cálculos de la energía generada se ha considerado, además,
Que no existen sombras parciales o totales sobre la superficie de los módulos en ningún momento del día.
Que no hay pérdidas de energía por disponibilidad de la red eléctrica.
Que en invierno, en los días más cortos, los paneles puedan recibir ocho horas de sol.
A partir de los valores de radiación solar y temperatura ambiente para cada mes del año, y los otros valores de las tablas, podemos calcular la energía generada por la central para cada mes (MWh/mes). Si sumamos los valores, de todos los meses tendríamos la energía esperada por la instalación para todo el año (MWh/año).
De llevarse a vías de hecho la instalación de este sistema fotovoltaico en los locales estudiados se podría generar 105,9 % del consumo total de electricidad de laESTEC.
En caso de que no se pueda acometer la inversión completa por cualquier razón, se debería comenzar por la Administración del Complejo 1 y el Área Frente al Parqueo 2,pues estos dos sistemas pueden generar aproximadamente 44 % del consumo de la energía de la ESTEC y son de los más fáciles de instalar.
Si solo se pudiera realizar la instalación de un solo sistema este debería ser la Hotelera 19, pues ahí se puede generar 13 % del consumo total y 121 % del consumo de la instalación.
Se estima que el costo aproximado de estas instalaciones fotovoltaicas completas ya produciendo sea de unos 614 mil CUC, y que la recuperación de la divisa sea de alrededor de 5,2 años.