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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Trabajo Fin de Máster EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO TOMO 1/2 Autor MIRIAM ARRABAL DIESTE Director ANGEL ANTONIO BAYOD RÚJULA CPS / EINA 2013 A la memoria de mi madre, por su entrega y cariño TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 1 EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO RESUMEN El transformador es una máquina con rendimientos muy altos, pero el mal uso o un mal dimensionamiento del mismo se traducen en una constante fuente de pérdidas de energía, de incremento de costes y baja eficiencia energética. En este trabajo se analiza el rendimiento de un sistema de instalación de Centro de Transformación que suministra energía a un edificio, desde el punto de vista de la eficiencia energética. Se han recogido los datos de demanda horaria de energía a lo largo del año 2012 de dicho edificio. Dependiendo de esa demanda y tomando varios tipos de transformadores y potencias nominales, se ha optimizado el transformador más adecuado energéticamente, mediante análisis en tablas Excel, analizando los siguientes parámetros: rendimientos, pérdidas anuales, costes de las pérdidas anuales y coste total de adquisición. Para ello, se han tomado de referencia el ciclo de vida del transformador de 30 años, tasa de retorno del 7%, 8.744 h de funcionamiento (por ser año bisiesto) y un precio de media de la energía de 0,15 €/kWh. De esta manera, se comprueba como un transformador más eficiente, supone un ahorro energético, tanto en costes como en pérdidas. A continuación, y como una medida más de optimización, se añade una instalación de autoconsumo fotovoltaico. Se recogen los datos de irradiación y generación de energía horaria a lo largo de un año de una instalación fotovoltaica sobre cubierta existente en Zaragoza de 350 kWp. Con estos datos, y basándonos en el cálculo anterior, se han calculado los ahorros energéticos de pérdidas, costes de las mismas y costes de adquisición. La instalación aparte de tener su propio suministro de generación, contribuye a la eficiencia, y se consigue instalar un transformador más pequeño. Siguiendo la misma metodología, se plantea la instalación de un sistema de transformadores de acoplamiento en paralelo para dicho sistema de autoconsumo. Este sistema sería el idóneo para instalaciones en las que se requiere del suministro de transformadores en paralelo para suplir la falta de energía por causa de fallo. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 2 INDICE 1. INTRODUCCION ........................................................................................................................... 3 2. TRANSFORMADOR ...................................................................................................................... 4 2.1. PÉRDIDAS EN EL TRANSFORMADOR ............................................................................. 5 2.2. EFICIENCIA EN UN TRANSFORMADOR ........................................................................... 5 2.3. ÍNDICE DE CARGA ......................................................................................................... 6 2.4. PÉRDIDAS Y COSTES DE UN TRANSFORMADOR. ............................................................ 6 3. OPTIMIZACIÓN DEL CENTRO DE TRANSFORMACIÓN. ................................................................ 9 3.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE INSTALACIÓN INICIAL ................................................... 9 3.2. EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS TRANSFORMADORES. .................................... 11 3.3. COSTES DE ANUALES DE LOS TRANSFORMADORES ..................................................... 14 3.4. COSTES DE ADQUISICIÓN DE LOS TRANSFORMADORES .............................................. 15 4. OPTIMIZACION DEL SISTEMA CON APOYO DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO ................... 19 4.1. DESCRIPCION DEL SISTEMA ........................................................................................ 19 4.2. EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS TRANSFORMADORES. .................................... 23 4.3. COSTES DE ANUALES DE LOS TRANSFORMADORES ..................................................... 25 4.4. COSTES DE ADQUISICIÓN DE LOS TRANSFORMADORES .............................................. 25 4.5. COMPARACIÓN CON INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA DE VOLCADO A RED. ................... 28 5. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA CON TRANSFORMADORES EN PARALELO .................................. 32 6. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN. ......................................................... 35 7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ 37 TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 3 1. INTRODUCCION Los transformadores de potencia son máquinas eléctricas de alta eficiencia pero como todas las máquinas presenta una serie de pérdidas de energía asociadas, como se describe en bibliografía [1], [2] y [3]. De estas, existen unas pérdidas fijas que se producen por estar conectadas a la red. Son proporcionales a la tensión de alimentación. También aparecen unas pérdidas variables que aumentan con el nivel de carga del transformador, traduciéndose en un incremento de temperatura de las máquinas y reducción del rendimiento de la máquina. Desde el punto de vista económico suponen un incremento en el coste de adquisición del transformador y desde el punto de vista medioambiental se traducen en aumento de emisiones de gases de efecto invernadero y de gases contaminantes en las centrales de producción de energía eléctrica. Todas estas emisiones deben ser reguladas según las normativas, [4] y [5]. La demanda eléctrica del edificio objeto de estudio se suministra mediante un Centro de Transformación al que le llega un suministro en AT, y suministra al edificio en BT. En este estudio se ha tratado de evaluar varios transformadores para encontrar el transformador óptimo para la demanda existente. En la actual situación de crisis económica, y de preocupación por el cambio climático, resulta interesante estudiar medidas que puedan disminuir las pérdidas debidas al uso de los transformadores. La primera medida se debería tomar en la adquisición del transformador, de rendimiento estándar o de alta eficiencia. Aunque el precio de adquisición de un transformador de alta eficiencia es superior, los ahorros que pueden conseguir a lo largo de su vida útil, amortizan ese sobrecoste en pocos años, reduciendo el coste de sus pérdidas. Resulta interesante que se conozcan las diferentes soluciones tecnológicas para reducir las pérdidas de la máquina y que están relacionadas con la elección de los materiales y con las técnicas de fabricación, como en [6]. Otra medida deberían referirse al uso del centro de transformación, ya que normalmente los transformadores están sobredimensionados y trabajan bastante descargados y lejos de su punto de funcionamiento de rendimiento máximo. La introducción de un sistema de generación de energía que permita rebajar la demanda inicial de la instalación, también reduce los costes de las pérdidas del transformador. La preocupación creciente por las energías renovables, y la reducción de primas para la instalación de fotovoltaica de volcado a red, hacen favorable una instalación de autoconsumo fotovoltaico. De esta manera, se plantea la optimización del sistema anterior simulando la instalación de un sistema propio de generación que ahorre en pérdidas y aumente la eficiencia energética del sistema. La mayoría de las instalaciones se prefieren con un solo transformador, ya que de esta manera garantiza el mínimo de gastos. Si por exigencias de alimentación de reserva de los consumidores demandan la instalación de más de un transformador, debe procurarse no instalar más de dos, [7] y [8]. Para instalaciones en las que deban funcionar en paralelo, se puede establecer un protocolo de actuación, automatizado o no, donde se conecten o desconecten transformadores en función de la carga buscando que trabajen cerca de su punto de máximo rendimiento [9]. De esta forma se podrían conseguir ahorros energéticos importantes y mejorar la eficiencia de los transformadores trabajando con el índice de carga más óptimo. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 4 2. TRANSFORMADOR Los transformadores de potencia son máquinas eléctricas estáticas que se emplean para transmitir energía eléctrica entre dos sistemas eléctricos y con rendimientos muy elevados. Funcionan por acoplamiento magnético entre bobinas cuya misión principal es cambiar los niveles de tensión de los sistemas eléctricos. También se usan para mantener un aislamiento galvánico entre sistemas eléctricos. Figura 1: Esquema del bobinado de un transformador. Está formado por un núcleo magnético y dos bobinados eléctricos conectados a cada uno de los dos sistemas eléctricos: Núcleo: El núcleo magnético está construido con acero magnético, El núcleo magnético está construido con acero magnético, en forma de láminas finas apiladas y aisladas eléctricamente entre sí, para disminuir las corrientes de magnetización en frecuencia industrial. Devanados: Son arrollamientos de material conductor, suelen estar construidos con cobre o aluminio, uno llamado primario desde donde se alimenta desde una red de energía y el otro secundario desde donde entrega la energía a la carga. Las diferentes espiras están aisladas entre sí. La máxima temperatura de adquisición del material aislante determina las necesidades de refrigeración de la máquina. Cuando el transformador se conecta a una fuente tensión se inicia la circulación de una corriente eléctrica que crea un campo magnético en el núcleo de tal forma que la tensión inducida en el devanado primario es “igual” a la tensión de la fuente de alimentación menos la de la caída de tensión en la resistencia del devanado. Este campo magnético llega al otro devanado por medio del núcleo, y se induce en él una tensión. Al conectarle a este ultimo devanado una carga la corriente circulante trata de disminuir el campo magnético del núcleo lo que obliga al primario a incrementar su corriente para mantener las condiciones de tensiones en su circuito. Parece que la obtención de la eficiencia de estas máquinas está únicamente en manos de los fabricantes de las mismas, pero los avances que ha experimentado el control de sistemas, nos dan TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 5 garantías de que otras vías de optimización permitirán la mejora de la implantación de los transformadores en las redes eléctricas de distribución [3]. 2.1. PÉRDIDAS EN EL TRANSFORMADOR Las pérdidas del transformador se clasifican como pérdidas de vacío (NO LOAD LOSSES) y pérdidas en carga (LOAD LOSSES). Las pérdidas fijas o de vacío se producen en el núcleo del transformador siempre que se le aplica un voltaje al transformador independientemente de la carga, de ahí el término pérdidas de vacío. Son consecuencia de la energía que se requiere para mantener el flujo continuo variable en el núcleo. El transformador al alimentarse con corriente alterna, provoca que el flujo magnético producido en su núcleo sea variable con el tiempo. Las partes magnéticas del acero se magnetizan y desmagnetizan continuamente. Debido a esta fricción en el núcleo se producen pérdidas conocidas como pérdidas por histéresis, que dependen del tipo de acero. Este campo magnético también induce tensiones en el acero que dan lugar a corrientes, denominadas de Foucault, que provocan pérdidas en forma de calor en las chapas magnéticas. Las pérdidas por histéresis pueden suponer entre el 50 y 70 % de estas pérdidas y las pérdidas por corrientes de Foucault entre el 30 y 50 %. Las pérdidas de vacío incluyen las pérdidas debidas a actuales pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes de Foucault en laminaciones centrales, las pérdidas por corrientes de Foucault en las abrazaderas y tornillos centrales y las pérdidas en el circuito dieléctrico. Las pérdidas en carga o variables son las pérdidas que varían de acuerdo a la carga en el transformador. Se deben a las pérdidas de calor en el conductor causadas por las corrientes de carga y las corrientes de Foucault en el conductor. Estas pérdidas aumentan a medida que aumenta la temperatura debido a la resistencia en el conductor que se incrementa con la temperatura. Es importante conocer la carga pico, y el factor de carga, para determinar las pérdidas. 2.2. EFICIENCIA EN UN TRANSFORMADOR Para un sistema de instalación es necesario definir la eficiencia del mismo [1] y [2]. Si S es la carga del transformador real (kVA) y Sn es la potencia nominal del transformador (kVA), la unidad de carga L por el transformador es: (1) La eficiencia del transformador, η, se calcula como sigue: (2). donde S es la potencia en carga (VA), cos es el factor de potencia, NLL es la pérdida en vacío (W), LL es la pérdida de carga (W) del transformador y L es la unidad de carga. En (2) el término NLL + LL L2 representa las pérdidas totales del transformador (W) por unidad de carga L, mientras que el término S cos denota la potencia de salida del transformador (W) por unidad de carga L. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 6 Como puede verse a partir de (2) la eficiencia del transformador se incrementa al reducir las pérdidas del transformador. El rendimiento del transformador es máximo cuando las pérdidas en el hierro (o de carga) son iguales a las del cobre (o de vacío). 2.3. ÍNDICE DE CARGA Para dimensionar el sistema es necesario conocer algunos parámetros previos, como el tipo de transformador y el índice de carga del sistema. La potencia nominal del transformador (Sn) es aquel para el que ha sido proyectado, es el producto de la corriente por el voltaje en vacío, es decir: (kVA) (3) Como el transformador no siempre funciona bajo condiciones nominales, se debe conocer el índice de carga, C: (4) Para conocer el índice de carga, se debe conocer la Iequivalente a lo largo de un año, que sería la raíz cuadrada de la suma de las intensidades por hora elevada al cuadrado, promediando por las horas de un año, en este caso 8788 h (por ser el año 2012 bisiesto y tener 366 días): (5) 2.4. PÉRDIDAS Y COSTES DE UN TRANSFORMADOR. El coste de las pérdidas del transformador implica comprender y evaluar el coste total de la generación, transmisión y distribución de las pérdidas del transformador. El coste de las pérdidas del transformador es el coste de producir cada kilovatio de pérdidas del transformador. Se debe agregar capacidad al sistema de generación, con el fin de entregar cada kilovatio adicional necesario para suministrar y entregar todas las pérdidas, incluyendo las pérdidas del transformador. Tanto la capacidad y la energía tiene que ser tratado individualmente. Nomenclatura [1] A factor de pérdidas sin carga (€/W) B factor de pérdida de carga (€/W) cos φ factor de potencia CTL coste anual (€/año) del total de las pérdidas del transformador CNLL coste anual (€/año) del transformador sin carga pérdidas CLL coste anual (€/año) de las pérdidas de carga del transformador tasa de descuento d EL pérdidas de energía anual (kWh/año) Eli pérdidas de energía anual (kWh/año) del transformador i ESij ahorro de energía anual (€/año) utilizando transformador j en lugar de transformador i. Ha horas de funcionamiento del transformador por año L unidad de carga LL pérdidas del transformador de carga (W) a la potencia nominal LLL pérdidas de carga del transformador (W) para carga L η eficiencia del transformador N vida del transformador (años) TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 7 NLL pérdidas de vacío del transformador (W) Pe precio de la electricidad (€/kWh) Pt precio del transformador (€) PVm multiplicador de valor actual PVTL valor actual del coste (€) del total de las pérdidas del transformador para la toda vida del transformador S Potencia de carga real del transformador (VA) Sn Potencia nominal del transformador de (kVA) SPIJ recuperación simple de la inversión (años) utilizando transformador j en lugar de transformador i. TOC Coste total de adquisición (€) TLL pérdidas totales del transformador (W) de carga L Si LL son las pérdidas de carga del transformador de potencia nominal del Sn, entonces las pérdidas de carga del transformador de LLL para una carga L se calcula a partir de la fórmula: (6) Las pérdidas en carga L totales del transformador TLL son: (7) Las pérdidas totales del transformador (o las pérdidas de potencia en vatios) en TLL para la carga L se calcularía mediante la fórmula (8): (8) En el sector industrial, el transformador funciona Ha horas por año (8788 h para el 2012). Si Pe es el precio de la electricidad (€/kWh) que el usuario industrial paga por la electricidad, el coste anual (€/año) del total del transformador CTL pérdidas es: (9) donde CNLL es el coste anual (€/año) de las pérdidas sin carga del transformador y CLL es el coste anual (€/año) de las pérdidas de carga del transformador, que se calcula a partir de las siguientes ecuaciones: (10) (11) (12) El usuario industrial paga el coste total del transformador de CTL pérdidas (€/año) para cada uno de los años N de la vida del transformador. Si d es la tasa de descuento, entonces el PVTL es el valor actual de estos pagos: → (13) Donde PVm es el multiplicador del valor actual, calculado así: TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 14 De lo que se observa, que al seguir reduciendo el índice de carga se reduce la eficiencia, además de que el transformador empieza a estar bastante sobredimensionado. Por tanto, habríamos pasado el punto de máxima eficiencia de la máquina. Sin duda, con los datos obtenidos, se observa que los transformadores son máquinas altamente eficientes. Los valores de rendimientos son altísimos, y parece que sólo los fabricantes pudieran tener alternativa en la mejora de rendimiento. El gráfico del rendimiento nos muestra como para valores de índices de carga entre 0,3 y 0,4 el transformador resulta realmente más eficiente. Si nos guiáramos únicamente por este dato, nos llevaría a sobredimensionar las instalaciones, sin considerar otros factores como las pérdidas, sus costes y los costes de adquisición. Por esto mismo, se deben observar otros datos, como el coste anual y el coste de adquisición. En este apartado, como mejor eficiencia optaríamos por el transformador 5 de 1000 kVA, con un rendimiento de 0,9936. 3.3. COSTES DE ANUALES DE LOS TRANSFORMADORES Si analizamos los costes de pérdidas anuales, según fórmula (15) se observa que los costes son crecientes con el índice de carga. Según gráfico 6 y 7: Gráfico 6: Coste de las pérdidas para 400 kVA. Gráfico 7: Coste de las pérdidas para 1.000 kVA. Recogiendo los datos de todos los transformadores analizados en la tabla 7, podemos comprobar que los menores costes anuales, EL, en kWh/año, son cuanto más nos aproximamos a valores de 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 TRAFO 1 TRAFO 2 TRAFO 3 TRAFO 4 TRAFO 5 TRAFO 6 400 KVA 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 TRAFO 1 TRAFO 2 TRAFO 3 TRAFO 4 TRAFO 5 TRAFO 6 TRAFO 7 1000 KVA TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 15 índice de carga entre 0,3 y 0,4, resultando el transformador 5 de 1000 kVA, el que representa el menor coste, coincidiendo con el de mayor eficiencia, en anterior apartado. 630 KVA 800 KVA 1000 KVA 1250 KVA C 0,514 C 0,405 C 0,324 C 0,259 TRAFOS EL TRAFOS EL TRAFOS EL TRAFOS EL TRAFO 1 26200,559 TRAFO 1 23648,493 TRAFO 1 24601,135 TRAFO 1 26107,405 TRAFO 2 30724,489 TRAFO 2 25806,604 TRAFO 2 26903,119 TRAFO 2 27521,744 TRAFO 3 27210,889 TRAFO 3 22468,684 TRAFO 3 21632,719 TRAFO 3 20670,224 TRAFO 4 22686,959 TRAFO 4 20310,573 TRAFO 4 19330,735 TRAFO 4 19255,885 TRAFO 5 18940,127 TRAFO 5 16544,105 TRAFO 5 23006,253 TRAFO 6 24127,288 TRAFO 6 21965,935 TRAFO 6 23327,659 TRAFO 7 24601,135 Tabla 7: Resumen de los costes anuales, EL (kWh) 3.4. COSTES DE ADQUISICIÓN DE LOS TRANSFORMADORES El siguiente punto a valorar sería el Coste de adquisición, en el que se ha de considerar además, el precio de compra del transformador y el precio de la electricidad, entre otros parámetros, según la fórmula (19). A continuación se muestra el gráfico 8 en el que se compara el TOC de los 7 transformadores anteriores de baño de aceite de 1.000 kVA, considerando como factores de carga A (17) y B (18), dependiendo del índice de carga. Se observa, que aunque el coste inicial de los transformadores más eficientes es mayor, son la opción preferida si se considera el TOC. Gráfico 8: TOC para 1.000 kVA. En la tabla 8 y 9 se muestra un resumen para todos los transformadores estudiados: Considerando las siguientes condiciones, Pe 0,15 €/kWh (valor medio tomado), d 7%, N 30 años, Ha 8744 horas, PVm 13,277, Pt precio del transformador (€) de cada uno, se recoge en la tabla 8 y 9, el resumen para los cálculos de las fórmulas (9), (13) y (19). 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 TOC - 1000 KVA TRAFO 1 TRAFO 2 TRAFO 3 TRAFO 4 TRAFO 5 TRAFO 6 TRAFO 7 TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 16 TRAFOS Sn (kVA) Pt (€) NLL (W) LL (W) η Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 1 400 6000 930 4.600 0,9866 34.641,94 5.196,29 68.994,66 56.813,32 TRAFO 2 400 6000 930 6.000 0,9836 42.698,89 6.404,83 85.041,29 67.326,49 TRAFO 3 400 6000 610 6.000 0,9847 39.888,01 5.983,20 79.443,00 61.728,20 TRAFO 4 400 6500 610 3.850 0,9894 31.831,06 4.127,23 54.799,96 46.082,97 TRAFO 5 400 8500 520 3.850 0,9897 26.724,28 4.008,64 53.225,45 46.508,45 TRAFO 6 400 6900 750 4.600 0,9872 33.060,82 4.656,08 61.821,85 54.564,28 TRAFO 1 630 6355 1.200 6.750 0,9899 26.200,56 3.930,08 52.182,37 35.585,94 TRAFO 2 630 6355 1.200 8.700 0,9881 30.724,49 4.608,67 61.192,46 37.965,62 TRAFO 3 630 6355 800 8.700 0,9895 27.210,89 4.081,63 54.194,60 30.967,75 TRAFO 4 630 6800 800 6.750 0,9912 22.686,96 3.403,04 45.184,51 29.033,08 TRAFO 5 630 9200 730 5.400 0,9927 18.940,13 2.841,02 37.722,13 28.560,98 TRAFO 6 630 7100 1.030 6.500 0,9907 24.127,29 3.223,81 42.804,74 33.051,76 TRAFO 1 800 6780 1.300 8.500 0,9908 23.648,49 3.547,27 47.099,55 33.512,44 TRAFO 2 800 6780 1.300 10.000 0,9900 25.806,60 3.870,99 51.397,75 34.216,44 TRAFO 3 800 6780 920 10.000 0,9913 22.468,68 3.370,30 44.749,78 27.568,47 TRAFO 4 800 6900 920 8.500 0,9921 20.310,57 3.046,59 40.451,58 26.984,46 TRAFO 5 800 10500 800 7.000 0,9934 17.098,38 2.564,76 34.054,01 27.781,10 TRAFO 6 800 8000 1.200 8.338 0,9913 22.537,02 2.853,51 37.888,01 32.906,94 Tabla 8: Resumen de los cálculos de transformadores. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 17 TRAFOS Sn (kVA) Pt (€) NLL (W) LL (W) η Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 1 1000 7500 1700 10500 0,9905 24.601,14 3.690,17 48.996,88 39.259,46 TRAFO 2 1000 7500 1700 13000 0,9896 26.903,12 4.035,47 53.581,63 34.491,66 TRAFO 3 1000 7500 1100 13000 0,9916 21.632,72 3.244,91 43.084,83 29.643,26 TRAFO 4 1000 7900 1100 10500 0,9925 19.330,74 2.899,61 38.500,08 29.162,66 TRAFO 5 1000 12000 940 9000 0,9936 16.544,10 2.481,62 32.950,08 30.175,15 TRAFO 6 1000 9000 1400 10500 0,9915 21.965,94 3.294,89 43.748,48 35.511,06 TRAFO 7 1000 9000 1700 10500 0,9905 24.601,14 3.690,17 48.996,88 40.759,46 TRAFO 1 1250 8355 2100 13000 0,9899 26.107,40 3.916,11 51.996,84 46.117,44 TRAFO 2 1250 8355 2100 15400 0,9894 27.521,74 4.128,26 54.813,71 46.306,42 TRAFO 3 1250 8355 1320 15400 0,9920 20.670,22 3.100,53 41.167,87 32.940,58 TRAFO 4 1250 8635 1320 13000 0,9925 19.255,88 2.888,38 38.351,00 32.751,60 TRAFO 5 1250 11000 1733 13208 0,9911 23.006,25 3.450,94 45.820,43 42.358,27 TRAFO 6 1250 11000 1750 13500 0,9910 23.327,66 3.499,15 46.460,56 42.678,68 Tabla 9: Resumen de los cálculos de transformadores. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 18 Según la tabla 8 y 9 hay que analizar no sólo costes de adquisición, sino también los costes de las pérdidas y eficiencia. Para la eficiencia ya hemos visto como mejor opción el trafo 5 para 800 kVA o 1000 kVA. Si analizamos los costes de las pérdidas y el valor actual de las pérdidas notamos una clara tendencia a la baja conforme disminuye el índice de carga. Es decir, cuanto mayor es la potencia nominal del transformador menores son los costes para la Iequivalente del sistema. Sin embargo, estos costes vuelven a aumentar para el transformador de 1.250 kVA. Con lo que con toda probabilidad un trafo de 1.000 kVA con menores costes y pérdidas, será la potencia nominal óptima para la demanda del sistema. Si observamos las pérdidas anuales de los transformadores de mayor eficiencia, comprobamos que las menores serían para el trafo 5 de 1.000 kVA, que a su vez es el que presenta menores costes de pérdidas y de valor actual de las mismas. Sin embargo, al ser un transformador de compra más caro que otros por ser de mayor eficiencia nos encontramos que para el TOC resulta más económico el trafo 4. Es decir, técnicamente el mejor transformador sería el 5 de 1.000 kVA. En tabla 10 se muestra el ranking de los 5 con menores pérdidas: TRAFOS Sn (kVA) Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) CLASIFICA CIÓN TRAFO 5 1000 16.544,10 2.481,62 32.950,08 1 TRAFO 5 630 18.940,13 2.841,02 37.722,13 2 TRAFO 4 1250 19.255,88 2.888,38 38.351,00 3 TRAFO 4 1000 19.330,74 2.899,61 38.500,08 4 TRAFO 3 1250 20.670,22 3.100,53 41.167,87 5 Tabla 10: Clasificación de transformadores según pérdidas. Y desde el punto de vista del coste de adquisición, el mejor transformador sería el 4 de 800 kVA, como se ve en la clasificación de la tabla 11: TRAFOS Sn (kVA) TOC (€) CLASIFICACIÓN TRAFO 4 800 26.984,46 1 TRAFO 3 800 27.568,47 2 TRAFO 5 800 27.781,10 3 TRAFO 5 630 28.560,98 4 TRAFO 4 630 29.033,08 5 TRAFO 4 1000 29.162,66 6 Tabla 11: Clasificación de transformadores según TOC. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 19 4. OPTIMIZACION DEL SISTEMA CON APOYO DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 4.1. DESCRIPCION DEL SISTEMA En apartado anterior se ha analizado los rendimientos óptimos del sistema para la demanda anual de un edificio. A partir de estos datos obtenidos se plantean nuevas medidas para obtener mayores ahorros energéticos, en costes de pérdidas y en costes de adquisición, y aumentar la eficiencia del sistema. Con la reducción de las primas para instalación fotovoltaica con volcado a red y el creciente aumento de la tarifa eléctrica [10], ha llegado el término de paridad de la red, es decir, resulta más rentable obtener energía de una fuente propia a comprarla en el mercado. En este sentido parece viable apostar por el autoconsumo para grandes y pequeñas instalaciones. El estudio se centra ahora en representar una simulación del sistema anteriormente descrito con el apoyo de una instalación de autoconsumo fotovoltaico. La instalación fotovoltaica será tipo fija, con orientación Sur, e inclinación de 30 grados, instalada sobre cubierta en zona de Zaragoza. Los datos de irradiación y energía aportados son reales, obtenidos a lo largo del año 2012, para una instalación de 350 kWp. No se consideran las pérdidas por indisponibilidad, mantenimiento o distintos errores. Para analizar los datos se ha considerado la energía y la intensidad emitida cada 15 minutos a lo largo del día durante un año. Con estos datos se determina la intensidad equivalente, y el índice de carga anual, C, de la instalación fotovoltaica. De esta manera obtenemos la curva que nos permite averiguar el comportamiento a lo largo del año, sus pérdidas y rendimientos. Ilustración 1: esquema CT con autoconsumo fotovoltaico Con los datos obtenidos de intensidades a lo largo de cada hora, obtenemos la siguiente Iequivalente del sistema fotovoltaico, en tabla 12: TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 20 Iequivalente (A) 179,186 Pequivalente (kW) 124,144 Tabla 12. Iequivalente para el sistema fotovoltaico. Con los datos de intensidades horarias simulamos el apoyo de autoconsumo a la instalación del edificio objeto de estudio con el transformador, restando la intensidad de demanda horaria con la intensidad emitida por la fotovoltaica. De esta manera, se reduce la demanda eléctrica un 17,88 %, obteniendo una intensidad equivalente inferior al apartado 3, que se traduce en un ahorro energético y reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Iequivalente (A) 383,76 Pequivalente (kW) 265,873 Tabla 13. Iequivalente para el sistema con autoconsumo fotovoltaico. La instalación fotovoltaica tiene un perfil característico a lo largo del año. Altas irradiaciones al mediodía y nulas durante periodos no solares, asimismo grandes rendimientos durante periodos estivales y menores rendimientos durante el invierno. Estos periodos de mayor irradiación son casi coincidentes con los de mayor consumo eléctrico del edificio. Por ejemplo, para un mes de verano notaremos ahorros considerables, debido a la máxima irradiación. Por ejemplo, para el mes de Agosto, tenemos el siguiente perfil de emisión de energía en el gráfico 9: Gráfico 9. KWh de la instalación fotovoltaica para el mes de Agosto. La intensidad horaria en cada periodo disminuye respecto a la demanda inicial debido a la aportación de la fotovoltaica. Las mayores irradiaciones se reciben para los horarios de mediodía desde las 13:00 hasta las 15:00, coincidiendo con las mayores demandas de energía. Con un pico el 15 de Agosto a las 15:00 de 334 kwh. Por tanto, gracias a la aportación del autoconsumo de fotovoltaica se consigue 0 50 100 150 200 250 300 350 400 AGOSTO - ENERGÍA FOTOVOLTAICA (kWh) TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 21 reducir las necesidades de energía y disminuimos, por tanto, las pérdidas del transformador. Para los horarios nocturnos la aportación de energía es nula, pero también la demanda es menor. Gráfico 10. Intensidades del sistema para el mes de Agosto. Si nos fijamos en el gráfico 10 notamos como la aportación de la fotovoltaica hace disminuir la intensidad horaria durante horarios de mediodía, incluso haciéndose cero el consumo, en días de fin de semana, que ya se tenía un consumo menor. La ventaja es que los momentos de más demanda horaria coinciden con los de mayor irradiación, de ahí los picos invertidos. Si hacemos un zoom de dos días cualquieras del mes de Agosto, observamos en el gráfico 11 como el consumo inicial antes de la fotovoltaica es similar los dos días, con picos al mediodía. Al aportar el autoconsumo de la fotovoltaica provoca el descenso del consumo, sobre todo en horarios de mayor irradiación, de 13:00 a 14:00 h. Este aporte de energía repercute directamente en la disminución de las pérdidas del trafo, y en aumento de eficiencia energética del sistema. Durante este mes de Agosto se conseguirían ahorrar el 24,50 % de la energía respecto a no poner fotovoltaica. Gráfico 11. Intensidades horarias del sistema para dos días. 0 100 200 300 400 500 600 700 AGOSTO - INTENSIDAD (A) INTENSIDAD INICIAL (A) INTENSIDAD con AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICA (A) 0 100 200 300 400 500 600 700 AGOSTO - INTENSIDAD (A) INTENSIDAD con AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICA (A) INTENSIDAD INICIAL (A) INTENSIDAD FOTOVOLTAICA (A) TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 22 En cambio, la aportación de energía fotovoltaica en meses de invierno es menor, y por tanto, el comportamiento es diferente, según gráfico 12: Gráfico 12. KWh de la instalación fotovoltaica para el mes de Enero. Los picos máximos de irradiación se producen al mediodía alrededor de las 13:00, notándose un pico de 243,2 kWh el 29 de enero. Hay que hacer notar que los días con poca radiación solar la energía captada por las placas fotovoltaicas es menor y se producen peores rendimientos. Si acoplamos esta producción fotovoltaica al edificio objeto de estudio, teniendo en cuenta la demanda para este mes de Enero, tendríamos el siguiente perfil de intensidades horarias: Gráfico 13. Intensidades horarias para el sistema para el mes de Enero. 0 50 100 150 200 250 300 ENERO - ENERGÍA FOTOVOLTAICA (kWh) 0 100 200 300 400 500 600 700 ENERO - INTENSIDAD (A) INTENSIDAD INICIAL (A) INTENSIDAD con AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICA (A) TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 23 En el gráfico 13 aunque no se tienen consumos de cero para ningún momento, se nota el aporte de energía durante el mediodía, no así de la misma manera en horarios de tarde. Si observamos dos días cualquiera de Enero, tenemos picos de consumo durante las tardes que la fotovoltaica no consigue contrarrestar porque son horarios de poca irradiación, ya que a partir de las 18:00 prácticamente la irradiación es nula. En días de insolación normal si que se consigue reducir la demanda del mediodía. Así de un consumo de 448 A a las 13:00 el día 22 de Enero, podríamos pasar a 150 A con el aporte de la fotovoltaica, reduciéndose en ese momento más de la mitad, como se ve en el gráfico 14. En este mes de Enero estaríamos ahorrando un 9,57% de media de la demanda inicial que teníamos cuando no estaba instalada la fotovoltaica. Gráfico 14. Intensidades horarias para dos días de Enero. 4.2. EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE LOS TRANSFORMADORES. Con el dato obtenido de Iequivalente = 383,76 A se estudian diferentes alternativas con diferentes trafos de 400 kVA, 630 kVA, 800 kVA, 1.000 kVA, para averiguar el transformador óptimo. Para cada transformador, según su potencia nominal se calcula el Índice de carga. El transformador de 1.250 kVA se descarta en este apartado, porque ya se ha visto anteriormente que al reducir su índice de carga se reduce su eficiencia y el transformador empieza a estar bastante sobredimensionado. Para un transformador de 400 kVA, el índice de carga anual sería: 0,665. En tabla 14 comprobamos que la máxima eficiencia sería para el transformador 5, que es el que tienen menores pérdidas también. TRAFOS NLL LL η TRAFO 1 930 4.600 0,98777 TRAFO 2 930 6.000 0,98526 TRAFO 3 610 6.000 0,98656 TRAFO 4 610 3.850 0,99043 TRAFO 5 520 3.850 0,99080 TRAFO 6 750 4.600 0,98851 Tabla 14. Eficiencias para 400 kVA. 0 100 200 300 400 500 600 700 ENERO - INTENSIDAD (A) INTENSIDAD INICIAL (A) INTENSIDAD con AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICA (A) INTENSIDAD FOTOVOLTAICA (A) TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 30 - Desde el punto de vista técnico, se escoge el trafo 5 de 400 kVA para la instalación de fotovoltaica de volcado a red, que es el de mayor rendimiento y menores pérdidas y costes. Comparando el sistema inicial de transformador (mejor opción trafo 5 de 1.000 kVA) más instalación fotovoltaica de volcado a red, tabla 23, con el sistema de autoconsumo fotovoltaico (mejor opción trafo 5 de 800 kVA), tabla 24: TRAFOS Sn (kVA) Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 5 1000 16.544,10 2.481,62 32.950,08 30.175,15 TRAFO 5 400 8.302,92 1.173,77 15.585,00 18.222,15 TOTAL 24.847,02 3.655,39 48.535,08 48.397,30 Tabla 23: RESUMEN COSTES DE SISTEMA VOLCADO A RED TRAFOS Sn (kVA) Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 5 800 13.818,62 2.072,79 27.521,86 25.989,71 Tabla 24: RESUMEN COSTES DE SISTEMA AUTOCONSUMO El sistema de un único Centro de Transformación con apoyo de autoconsumo fotovoltaico, en vez de de dos Centros de Transformación uno para la demanda y otro para volcado a red, incrementa la eficiencia energética, el ahorro de pérdidas y los costes, en más del 40%, como se ve en tabla 25: TRAFOS Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 5 44,38% 43,29% 43,29% 46,3% Tabla 25: RESUMEN AHORRO - Desde el punto de vista económico, se escoge el trafo 4 de 250 kVA para la instalación de fotovoltaica de volcado a red, que es el de menor coste de adquisición. Comparando el sistema inicial de transformador (mejor opción trafo 4 de 800 kVA) más instalación fotovoltaica de volcado a red, tabla 26, con el sistema de autoconsumo fotovoltaico (mejor opción trafo 5 de 800 kVA), tabla 24: TRAFOS Sn (kVA) Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 4 800 20.310,57 3.046,59 40.451,58 26.984,46 TRAFO 4 250 10.563,35 1.453,46 19.298,59 16.460,58 TOTAL 30.873,92 4.500,05 60.050,17 43.445,04 Tabla 26: RESUMEN COSTES DE SISTEMA VOLCADO A RED TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 31 TRAFOS Sn (kVA) Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 4 630 17.587,23 2.638,08 35.027,62 24.541,55 Tabla 27: RESUMEN COSTES DE SISTEMA AUTOCONSUMO El sistema de un único Centro de Transformación con apoyo de autoconsumo fotovoltaico, en vez de de dos Centros de Transformación uno para la demanda y otro para volcado a red, incrementa la eficiencia energética, el ahorro de pérdidas y los costes, en más del 40%, como se ve en tabla 28: TRAFOS Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 4 43,04% 41,38% 41,38% 43,53% Tabla 28: RESUMEN AHORRO Tanto desde el punto de vista económico, como técnico, resulta más ventajoso tener un sistema de autoconsumo fotovoltaico. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 32 5. OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA CON TRANSFORMADORES EN PARALELO En este apartado se trata de hacer un análisis de lo que supone el ahorro energético de la instalación de unos transformadores en paralelo, sobre la instalación comentada en apartado anterior. Se trata de optimizar el funcionamiento anterior, y reducir pérdidas. Para el acoplamiento de un sistema de transformadores en paralelo, existen varias técnicas de control óptimo, que se describen en anexo. Las conexiones en paralelo seguirán criterios de máxima eficiencia, mediante sistemas de control reguladores [9]. Ya se ha visto que los usuarios del edificio objeto de estudio no demandan energía de manera constante. Por eso, dependiendo del periodo del día (mañana, tarde o noche) o de si es día laboral o festivo, o incluso de la época del año (primavera, verano, otoño o invierno), se demandará a los transformadores potencias distintas. Así, tendremos periodos de mayor utilización de los transformadores y otros en donde la demanda sea mínima. Es conveniente seleccionar la potencia de los transformadores teniendo en cuenta su capacidad de sobrecarga. Cuando se trabaja con transformadores altamente eficientes solicitar más esfuerzo al fabricante resulta complicado. Para conocer si es eficiente energéticamente el sistema de transformadores acoplados en paralelo con el funcionamiento actual y con el sistema de autoconsumo fotovoltaico se debe recurrir a los datos reales de funcionamiento. Es decir, a los valores de las cargas que se registran en cada periodo de cada ciclo diario. Para ello, vamos a tomar de referencia la Iequivalente obtenida en el apartado anterior. Cuando se trabaja con transformadores en paralelo el porcentaje de utilización respecto a la potencia disponible siempre es muy bajo, permitiendo hacer uso de dos transformadores en los periodos de mañana en ciclos de días laborables, y de un solo transformador en los periodos de tarde y noche de ciclos de días laborables y en todo el ciclo de días festivos. Con el objetivo de conocer el alcance de la reducción de costes que se podría tener con una optimización del sistema, se ha hecho un estudio de rendimientos de dos transformadores funcionando en paralelo para la Iequivalente obtenida con la instalación de la fotovoltaica. Posteriormente se han estudiado las pérdidas y costes del sistema, con la intención de determinar el ahorro que podría suponer la propuesta. El estudio, tabla 30, muestra los resultados de eficiencias, costes de pérdidas y operación de dos transformadores en paralelo en el caso de instalarse una instalación de autoconsumo de fotovoltaica. Por tanto, la Iequivalente sería la misma que con el apartado de la fotovoltaica pero para cada transformador sería la mitad, porque cada uno aportaría la mitad de la demanda, tabla 29: TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 33 Iequivalente (A) 191,88 Pequivalente (kW) 132,936 Tabla 29: I equivalente del sistema de transformadores en paralelo. Una parte importante del sistema es saber que transformadores resultan óptimos para funcionar en paralelo. Se calcula la simulación como si los dos transformadores estuvieran funcionando en paralelo, pero existen técnicas descritas en [10] y [11] que determinan en qué momento un transformador resulta más óptimo funcionando sólo y en qué momento entra a funcionar el siguiente. Es obvio que si en el apartado de la instalación con fotovoltaica resulta más eficiente utilizar uno de 800 kVA, no utilizaremos ese para trabajar en paralelo. Comparamos para trafos de 250 kVA, 400 kVA, 630 kVA, con el mismo sistema de antes. En la determinación de que transformadores resultan óptimos es necesario saber cuál es el índice de carga para cada potencia nominal de cada transformador. Si utilizamos un transformador de 250 kVA estaremos utilizando un índice de carga, C=0,532, índice que queda por encima de los de máxima eficiencia, para un transformador de 400 kVA tenemos un índice C=0,332, y para un transformador de 630 kVA tendremos un índice de C=0,211. Una vez determinado el índice de carga determinamos los costes de las pérdidas y de adquisición. Según tabla 30, observamos un mayor rendimiento en los transformadores de 400 kVA y dentro de estos un mayor rendimiento para el trafo 5. Hay que observar que los costes serán el doble que si funcionase uno sólo, ya que ahora tenemos dos transformadores. Los costes también resultan menores para los trafos 5 de 400 kVA, aunque el TOC resulta más económico el trafo 4 de 400 kVA, por ser más barato a la hora de la compra. Con los datos de la tabla 2, podemos comparar con el apartado anterior en el que solo funcionaba un trafo para determinar si es mejor trabajar con uno o con dos transformadores que pudieran trabajar simultáneamente en caso de necesidad. Comparando las dos tablas 17 y 23 podemos ver que resulta más económico, y más eficiente, es decir tiene menos pérdidas y menor TOC, el trabajar con un único transformador de 800 kVA, que con dos de 400 kVA. Es decir, para el transformador 5 de 800 kVA teníamos unas pérdidas anuales de 13.818,616 kWh/año y en cambio para dos transformadores de 400 kVA acoplados en paralelo, de gama similar al anterior, tendríamos 16.605,84 kWh/año, incrementándose las pérdidas en un 20,17 %. Con el Coste de Adquisición también tendríamos un incremento de 25.989,71 €/año, para uno de 800 kVA, a 36.837,79 €/año, para dos trafos de 400 kVA, un aumento del 41,73%. Aunque en casos de necesidad o fallo [7] y [8], por el tipo de edificio a suministrar, será conveniente trabajar con dos transformadores en paralelo o más. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 34 TRAFOS Sn (Kva) Pt (€) NLL (W) LL (W) η Pérdidas totales EL (kWh/año) Costes de pérdidas totales Ctl (€/año) Valor actual de las pérdidas totales PVtl (€) TOC (€) TRAFO 1 250 5890 650 3.250 0,9871 27.563,19 4.134,48 54.896,26 43.614,43 TRAFO 2 250 5890 425 3.250 0,9889 23.610,39 3.541,56 47.023,66 35.741,83 TRAFO 3 250 5890 425 4.200 0,9867 28.329,40 4.249,41 56.422,29 38.399,31 TRAFO 4 250 6100 425 2.750 0,9900 21.126,70 3.169,00 42.077,01 34.763,16 TRAFO 5 250 7800 360 2.750 0,9906 19.984,78 2.997,72 39.802,71 35.888,86 TRAFO 6 250 6500 530 3.250 0,9880 25.455,03 3.818,25 50.697,54 40.635,71 TRAFO 1 400 6000 930 4.600 0,9881 25.264,00 3.789,60 50.317,08 46.503,54 TRAFO 2 400 6000 930 6.000 0,9869 27.980,54 4.197,08 55.727,47 47.101,12 TRAFO 3 400 6000 610 6.000 0,9895 22.358,78 3.353,82 44.530,89 35.904,53 TRAFO 4 400 6500 610 3.850 0,9914 19.642,24 2.728,04 36.222,07 35.986,83 TRAFO 5 400 8500 520 3.850 0,9922 16.605,84 2.490,88 33.073,03 36.837,79 TRAFO 6 400 6900 750 4.600 0,9896 22.101,76 2.709,17 35.971,46 42.005,46 TRAFO 1 630 6355 1.300 8.500 0,9876 26.361,55 3.954,23 52.503,02 55.165,41 TRAFO 2 630 6355 1.300 10.000 0,9869 27.886,88 4.183,03 55.540,93 55.300,67 TRAFO 3 630 6355 920 10.000 0,9902 20.859,68 3.128,95 41.545,20 41.304,94 TRAFO 4 630 6800 920 8.500 0,9909 19.334,35 2.900,15 38.507,29 42.059,68 TRAFO 5 630 9200 800 7.000 0,9920 17.048,60 2.557,29 33.954,87 44.316,78 TRAFO 6 630 7100 1.200 8.338 0,9891 23.179,44 2.686,36 35.668,56 50.689,88 Tabla 30: Resumen de rendimientos, costes de pérdidas y operación. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 35 6. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN. En este trabajo se ha visto que los transformadores son máquinas eléctricas que poseen altos rendimientos, que alcanzan su mayor eficiencia para índices de carga de 0,3 a 0,4. No obstante este dato no es suficiente para seleccionar un transformador adecuado. El coste de las pérdidas y el coste de adquisición de los transformadores son otros parámetros importantes a considerar para luchar en pro de la eficiencia energética. En este trabajo se han presentado diferentes alternativas de transformadores, considerando su potencia nominal, sus pérdidas de vacío y de carga, su precio de adquisición, horas de funcionamiento y su vida útil, además de otros parámetros que influyen también en el coste de adquisición, como la tasa de retorno y el precio de la electricidad. Y entre todas las ofertas consideradas, el transformador más eficiente es el que tiene más bajo el Coste de las pérdidas anuales y el más rentable es el que tiene menor Coste de Adquisición, TOC. Las empresas deberían considerar este dato para la toma de decisión en la elección de un transformador óptimo. Al hacer una inversión adecuada en un transformador de energía eficiente se reducen a la larga las pérdidas de energía y la carga ambiental, que de esta manera, junto con la reducción de los costes del ciclo de vida, aumentaría la rentabilidad del sistema. Aunque a veces, la reducción de las pérdidas del transformador en las empresas se encuentra con el inconveniente de la normativa existente [4], que cambia con frecuencia, en comparación con el tiempo de vida de las inversiones. Para optimizar el sistema, y contribuir al aumento de la eficiencia energética, se ha introducido un ahorro energético más con la instalación de un sistema de autoconsumo fotovoltaico que ayude al transformador en su mejora de eficiencia energética. El sistema así instalado permitiría un ahorro energético de la demanda de un 17,88 %, incluso del 24,5% en los meses de verano, que se traduce en más de 400 € de ahorro al año en la factura eléctrica. El autoconsumo supone la gran expectativa para el sector fotovoltaico: es una aplicación en la que la tecnología es rentable por sí sola. Con este sistema, se mejora en la eficiencia pasando de unas pérdidas de 16.544,10 kWh/año, a 13.818,62 kWh/año, es decir un ahorro del 16,47 %. Así mismo, ahorraríamos en función del precio de compra del transformador y del precio de la tarifa eléctrica, del orden de unos 4.000-5.000 € anuales, en el coste de adquisición de un transformador eficiente con el apoyo del autoconsumo de fotovoltaica. En comparación con un sistema de volcado a red, el sistema de instalación de autoconsumo fotovoltaico, aparte de lo que supone de ahorro en el consumo de un edificio, contribuye en más del 40 % de ahorro de pérdidas, costes de las mismas y coste de adquisición. En algunos casos de grandes edificios y grandes empresas, como centros públicos en los que se requiera suministro continuado, es necesario trabajar con dos transformadores o más en paralelo, para evitar problemas por causa de fallo. Este sistema resulta más costoso, tiene mayores pérdidas, aunque se pueden introducir mecanismos que ayuden a optimizar el acoplamiento en paralelo. En nuestro caso, las pérdidas se ven aumentadas en un 20,17 %, y los costes de adquisición se han visto aumentados en un 41,73%. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 36 El sistema presentado en este estudio, puede servir de base a posteriores estudios de eficiencia energética para otros sistemas similares, en función del autoconsumo fotovoltaico instalado y de la demanda eléctrica. La parte económica será más fluctuante, ya que depende del precio de compra de los transformadores y del precio de la electricidad. En cuanto a las vías de estudio posteriores, que en este trabajo no han dado de sí para seguir investigando: - Analizar otras pérdidas, que a veces, por no considerarse importantes se dejan de lado: los armónicos, de esta manera, podría contribuir a la longevidad del transformador. - Introducir estudios diferentes según el factor de potencia. - Analizar materiales con cableados óptimos que requieran menos pérdidas de potencia. - Investigar para diferentes tipos y carga de instalaciones fotovoltaicas. - Analizar los periodos de retorno, TIR y VAN, para las instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo, ya que en este caso se ha aplicado una tasa de retorno simple. - Estudiar los mecanismos de optimización de sistemas de acoplamiento en paralelo. TRABAJO FINAL DE MASTER EFICIENCIA ENERGETICA EN CENTROS DE TRANSFORMACION DE DISTRIBUCION EN SISTEMAS DE AUTOCONSUMO FOTOVOLTAICO 37 7. BIBLIOGRAFÍA [1] P.S. Georgilakis. 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