Optimización de la operación de instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo con o sin batería

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS DE AUTOCONSUMO CON O SIN BATERÍA Autor: Ángela Fernández Ayoso Tutores: Isidoro Lillo Bravo, José María Delgado Sánchez Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 12 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS DE AUTOCONSUMO CON O SIN BATERÍA Autor: Ángela Fernández Ayoso Tutor: Isidoro Lillo Bravo Catedrático Jose María Delgado Sánchez Profesor Permanente Laboral Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 14 Trabajo Fin de Grado: OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS DE AUTOCONSUMO CON O SIN BATERÍA Autor: Ángela Fernández Ayoso Tutores: Isidoro Lillo Bravo, Jose María delgado Sánchez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: 16 Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2025 El Secretario del Tribunal Dedico este trabajo a mi madre Ángeles, mi hermana Irene, mi padre Rafael y mi pareja Juan Jesús, por su apoyo constante. A mi tutor Isidoro Lillo, y a todos mis profesores y compañeros que me han ayudado a llegar hasta aquí. Y a mí misma, por el esfuerzo y la dedicación durante todo este camino. 18 Agradecimientos Quiero agradecer a mi familia por su apoyo incondicional, a la Universidad de Sevilla por la formación recibida, y a todas las personas que han formado parte de mi camino académico y personal durante estos años. Ángela Fernández Ayoso Sevilla, 2025 26 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Comparativa entre las ventajas y desventajas de las baterías de plomo-ácido [14] 39 Tabla 2: Criterio porcentual de repartición horaria de la demanda 44 Tabla 3: Resumen de balances energéticos y resultados mensuales obtenidos en PVsyst 47 Tabla 4: Diagrama Sankey Instalación fotovoltaica 48 Tabla 5:Resultados Energéticos y Análisis de Costes 57 Tabla 6: Resumen ahorro anual generado en el mercado libre y regulado. 59 Tabla 7: Resumen parámetros de diseño de la batería 67 Tabla 8: Frecuencia para cada escenario de estudio 69 Tabla 9: Resumen del Ahorro Mensual por Autoconsumo Fotovoltaico con baterías 73 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Producción anual autoconsumo (GWh) [2] 32 Ilustración 2: Comparativa autoconsumo residencial e industrial [3] 32 Ilustración 3: Evolución anual de la potencia instalada solar fotovoltaica. [6] 34 Ilustración 4: Potencia solar fotovoltaica instalada. [6] 35 Ilustración 5: Evolución de la Energía Eólica en España [8] 35 Ilustración 6: Evolución de la Generación Eólica en España [8] 36 Ilustración 7: Distribución de la Generación Solar Térmica en España [9] 36 Ilustración 8: Perfil medio horario de la Energía Solar Térmica sobre la generación total en 2023 [9] 37 Ilustración 9: Distribución geográfica peninsular de las instalaciones de energía hidráulica [11]. 37 Ilustración 10: Generación hidráulica por zonas hidrográficas mensuales). [12] 38 Ilustración 11: Esquema funcionamiento baterías Ion-Litio [15] 40 Ilustración 12:Esquema instalación fotovoltaica con batería de Litio [15] 40 Ilustración 13:Esquema de batería Ni-Cd [16] 41 Ilustración 14: Esquema Batería de Flujo [18] 41 Ilustración 15: Evolución de las baterías para autoconsumo en España [19] 42 Ilustración 16: Evolución coste de baterías [21] 43 Ilustración 17:Demanda horaria anual vivienda de estudio para el año 2024 (kWh/h) 44 Ilustración 18: Demanda mensual vivienda de estudio para el año 2024 (kWh/mes) 45 Ilustración 19:Resumen superficie total selecciona para la instalación junto con características del módulo fotovoltaico elegido 46 Ilustración 20:Gráficas representativas generada por herramienta PVsyst, para la obtención del PR, junto con simulación de la producción anual de nuestra instalación. 47 Ilustración 21:Resultado obtenido para generación fotovoltaica horaria (kWh/h) 49 Ilustración 22: Evolución precio energía red eléctrica 2024 50 Ilustración 23: de Instalación fotovoltaica sin almacenamiento. Variables 51 Ilustración 24: Nodos en los que realizar balance de energía 51 Ilustración 25: Evolución Energía a la salida del inversor (Ei) a lo largo del año (kWh) 53 Ilustración 26: Evolución Energía Autoconsumida (Eau) a lo largo del año (kWh) 53 Ilustración 27: Evolución Energía Excedentaria (Ex) lo largo del año (kWh) 54 Ilustración 28: Promedio Mensual Ratio de Autoconsumo Fotovoltaico (Rfv) (%) 55 Ilustración 29: Promedio Mensual Ratio de Autosuficiencia (Rau) (%) 56 Ilustración 30: Promedio mensual Tasa de cobertura solar (Rc) (%) 56 Ilustración 31:Demanda Energética vs Importe Mensual facturación 58 Ilustración 32: Bonificación anual generada a partir de la venta de excedentes en mercado libre 58 Ilustración 33: Ahorro generado por energía autoconsumida por la instalación fotovoltaica. 59 28 Ilustración 34:Esquema de una instalación fotovoltaica con batería 60 Ilustración 35: Nodos balance de energía 61 Ilustración 36: Gestión de Batería: Diagrama de Flujo 66 Ilustración 37: Evolución de la energía demandada mensual a lo largo del año 66 Ilustración 38: Estado energético inicial de batería: primera hora del año 67 Ilustración 39: Evolución del estado energético de la batería durante los primeros 4 días 68 Ilustración 40: Número de horas de uso de la batería a lo largo del año 68 Ilustración 41: Evolución estado energético de la batería al final de cada hora a lo largo del año 69 Ilustración 42: Número de horas anuales por cada escenario registrado durante 2024 70 Ilustración 43: Evolución de Energía de salida del Inversor a lo largo del año 70 Ilustración 44: Evolución de la Energía Excedentaria a lo largo del año 71 Ilustración 45: Evolución mensual Ratio de autoconsumo fotovoltaico 71 Ilustración 46: Evolución mensual ratio de autosuficiencia 72 Ilustración 47: Evolución mensual Tasa de cobertura solar a lo largo del año 72 Ilustración 48: Comparativa Coste anual de energía demandada con instalación fotovoltaica 73 Ilustración 49: Apartados generales de la herramienta 74 Ilustración 50: Precio electricidad red (€/MWh/h) 75 Ilustración 51: Irradiancia horaria en Sevilla año 2024 75 Ilustración 52: Demanda horaria de la vivienda (kWh/h) 76 Ilustración 53:Demanda mensual (kWh) 76 Ilustración 54:Repartición porcentual del consumo diario a lo largo del año 77 Ilustración 55: Resumen m energía demandada (kWh) 77 Ilustración 56:Datos obtenidos de Pvsyst que introducir en la herramienta 78 Ilustración 57: Producción Fotovoltaica horaria 78 Ilustración 58:Resumen inicial instalación fotovoltaica sin autoconsumo 79 Ilustración 59: Balances de energía y ratios horarios para una instalación fotovoltaica sin almacenamiento 79 Ilustración 60: Valor de precio de excedentes necesario de introducir en la herramienta 80 Ilustración 61: Análisis ahorro mercado libre 80 Ilustración 62: Ahorro horario anual en mercado regulado 81 Ilustración 63: Ahorro mensual mercado regulado 81 Ilustración 64: Datos de partida necesarios para cálculo 82 Ilustración 65:Extracto tabla balances energéticos 83 Ilustración 66: Continuación tabla balances energéticos. Gestión de batería 83 Ilustración 67: Final tala balances energéticos. Balances finales, Ratios y Escenario correspondiente 84 Ilustración 68: Principales gráficas proporcionada por la herramienta 84 Ilustración 69: Ahorros generados y precio energía demandada asociada a energía procedente la red 85 Ilustración 70: Ahorro mensual y promedio de ratios energéticos 85 ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1: Energía demandada horaria (kWh/h) 44 Ecuación 2: Datos climático Sevilla año 2024 45 Ecuación 3: Configuración del campo fotovoltaico 46 Ecuación 4: Resumen PVsyst. Configuración campo fotovoltaico 46 Ecuación 5:Potencia generada por un sistema fotovoltaico 48 Ecuación 6: Energía a la salida del inversor (kWh) 52 Ecuación 7: Balance de energía. Nodo 2 (kWh) 52 Ecuación 8: Energía autoconsumida (Eau) (kWh) 52 Ecuación 9: Ratio Autoconsumo Fotovoltaico (%) 54 Ecuación 10: Balance de energía Nodo (1) (kWh) 61 Ecuación 11: Balance de energía Nodo (2) (kWh) 61 Ecuación 12: Balance de energía Nodo (3) (kWh) 61 Ecuación 13:Energía de entrada a la batería(kWh) 61 Ecuación 14: Energía a la salida de la batería (kWh) 62 Ecuación 15 : Energía a la salida del inversor (kWh) 62 Ecuación 16: Energía autoconsumida (kWh) 62 Ecuación 17: Capacidad energética de la batería (kWh) 62 Ecuación 18: Capacidad energética máxima de operación de la batería (Wh) 62 Ecuación 19: Capacidad energética mínima de operación de la batería (KWh) 62 Ecuación 20: Determinación precio caro para uso de batería 63 Ecuación 21:Determinación de precio barato para uso de batería 63 Ecuación 22: Determinación precio muy barato para uso de batería 63 30 Notación A G P PR ηstc Efi Ebi Ebs Efx Efs Ei Eau Ed Edd Ex Emd Ebat Emax Emin ηe ηs ηi Pe Pm Superficie de captación solar (m²) Irradiancia solar incidente (W/ m²) Potencia eléctrica generada (W) Performance Ratio Eficiencia del módulo fotovoltaico en condiciones estándar Energía a la salida del campo solar en una hora (kWh) Energía que entra en la batería en una hora (kWh) Energía que sale de la batería en una hora (kWh) Energía excedentaria tras carga energética de batería (kWh) Energía fotovoltaica que entra en el inversor en una hora (kWh) Energía que sale del inversor den una hora(kWh) Energía autoconsumida en una hora (kWh) Energía demandada por la vivienda en una hora (kWh) Energía demandada diaria por la vivienda (kWh/día) Energía excedentaria exportada a la red eléctrica en una hora (kWh) Energía media horaria anual de la vivienda (kWh/h) Capacidad energética nominal de la batería (kWh) Energía máxima capaz de ser inyectada en la batería en una hora (kWh) Energía mínima almacenada en la batería en una hora (kWh) Rendimiento de carga de la batería Rendimiento de descarga de la batería Rendimiento del inversor Precio electricidad procedente de red eléctrica en el mercado regulado (€/kWh/h) Precio medio para 24 horas de electricidad procedente de red eléctrica en el mercado regulado (€/kWh/h) Cd Cpc Cpb Cpbb Cemax Cemin Cbat Coeficiente perfil horario de demanda Coeficiente precio caro en mercado regulado Coeficiente precio barato en mercado regulado Coeficiente precio muy barato en mercado regulado Coeficiente capaz de ser inyectada en la batería Coeficiente energía mínima almacenada en batería Coeficiente capacidad energética batería Ied Rfv Rav Rc A_eau importe electricidad asociado a demanda (€/kWh/h) Ratio de Autoconsumo fotovoltaico (%) Ratio de Autosuficiencia (%) Tasa de cobertura solar (%) Ahorro anual en factura eléctrica asociado al uso de energía autoconsumida A_ex C_ed C_fac (€/año) Bonificación anual por venta de energía excedentaria (€/año) Coste anual de la factura eléctrica asociado a la demanda sin instalación fotovoltaica (€/año) Coste anual energía demandada con instalación fotovoltaica (€/año) 32 1 INTRODUCCIÓN Actualmente, el uso de instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo, así como su posible implantación de un sistema de almacenamiento, tiene cada vez más una mayor presencia en la población. Esto se debe al ahorro económico que presentan junto, su sostenibilidad medioambiental asociada. Según datos publicados por la Unión Española fotovoltaica (UNEF), durante el pasado año 2024, se instalaron 1.182 MW de instalaciones fotovoltaicas en carácter de autoconsumo [1]. Ilustración 1: Producción anual autoconsumo (GWh) [2] La gráfica superior muestra la evolución del crecimiento de instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo en España, resaltando lo obtenido durante el año 2024, duplicando lo generado durante el año 2022.Este ascenso puede deberse a la bajada de costes respecto a la instalación, el aumento del precio de energía proveniente de la red eléctrica, así como, una mayor concienciación social. Ilustración 2: Comparativa autoconsumo residencial e industrial [3] El almacenamiento energético mediante el uso de baterías, se postula como la alternativa a potenciar y complementar las instalaciones de autoconsumo fotovoltaico, consiguiendo así, una mayor gestionabilidad, sostenibilidad y autonomía energética. En 2024, el aumento en la capacidad de las baterías se incrementó en un 21%, respecto a lo acontecido durante 2023 [3]. Pese a los avances alcanzados, actualmente no existe una metodología generalizada y estructurada para el autoconsumo fotovoltaico, capaz de ser adaptable a los distintos perfiles de uso energético; tanto si no presentan almacenamiento, como, fundamentalmente, si la instalación incluye el uso de baterías. En tal caso, no incluye un procedimiento general, capaz de ser particularizado para distintos usuarios, teniendo como finalidad el mayor aprovechamiento, gestión y ahorro para el particular. A 2 OBJETIVO Se establece como objetivo de este trabajo de fin de grado una metodología de carácter general posibilite el análisis del comportamiento de una instalación fotovoltaica de autoconsumo analizando la posibilidad de incluir almacenamiento mediante el uso de baterías. La primera parte del estudio centra su atención en los excedentes generados por la producción fotovoltaica, ya que, al no aplicársele almacenamiento, la energía producida por la instalación debe satisfacer la demandada por el usuario de forma instantánea. En una sección inicial, el estudio se focaliza en el análisis de la compensación económica aplicada a la venta de energía excedentaria producida por la instalación fotovoltaica, respecto a la demandada por parte del usuario. Como escenario base, no se aplica el uso de un sistema de almacenamiento complementario; por lo que la compensación será inmediata para dos escenarios o marcos distintos: la venta de excedentes fotovoltaicos en el mercado libre y, en segundo lugar, su venta en el mercado regulado. Posteriormente, se amplía el análisis incorporando un sistema de almacenamiento basado en baterías. Esta segunda etapa tiene como propósito analizar la viabilidad de incluir el almacenamiento, generando así un posible beneficio económico al usuario, junto con una mayor independencia y gestionabilidad energética. Se analiza la posibilidad de que el uso de la energía almacenada pueda cubrir el consumo en momentos en los que, o bien, no hay producción fotovoltaica, o la energía demandada es superior a la producida por el sistema fotovoltaico. Esta evaluación se realiza teniendo en cuenta los precios horarios de la energía. Además de valorar el impacto económico, se considera también el dimensionamiento de la batería y su gestión a lo largo del día. Para ello, se definen criterios que permitan decidir cuándo conviene utilizar o cargar la batería, teniendo en cuenta variables como el precio horario de la electricidad, la producción y el estado de carga. El objetivo es aprovechar al máximo la energía fotovoltaica generada por la instalación disponible y reducir al mínimo el coste energético de facturación para el usuario. Para llevar a cabo los cálculos y simulaciones, se utiliza como base una vivienda tipo. Este perfil de referencia permite aplicar la metodología a un caso concreto y obtener resultados representativos. Así, se busca no solo validar el planteamiento teórico, sino también ofrecer una herramienta práctica que pueda ser empleada en situaciones reales de autoconsumo fotovoltaico residencial. 34 3 METODOLOGÍA 3.1. Estado del arte En los últimos años el mundo ha sido testigo de un notable avance en la educación y tecnologías relacionadas con las energías renovables [4]. Esto se debe a la preocupación por el cambio climático y el incremento de los costos asociados con la energía. Debido a esto, las energías renovables, principalmente la energía eólica y solar fotovoltaica han destacado en el mercado energético. [4] 3.1.1 Situación actual energía fotovoltaica en España En el último año la potencia solar fotovoltaica ha aumentado un 28%, 4686 MW [5] con respecto 2022, batiendo récord con la incorporación de 5594 MW [5] de potencia instalada conectada a la red. Gracias a estos valores, la generación renovable representa un 50.3% de la producción eléctrica, con este valor hemos aumentado un 15.1% la generación renovable, disminuyendo de este modo las emisiones de CO2 un 28% con respecto el 2022 [5]. Por lo que se refleja que la energía solar fotovoltaica se encuentra a la cabeza en cuanto a crecimiento. Ilustración 3: Evolución anual de la potencia instalada solar fotovoltaica. [6] Extremadura y Castilla-La Mancha se encuentran en primer lugar en cuanto a potencia solar fotovoltaica instalada, con un 25 y 24% respectivamente. En segundo lugar, se encuentra Andalucía, con un 21% [6] y en tercer lugar, Aragón, Castilla-León y Murcia. La suma de estas comunidades proporciona el 70% [6] de la potencia fotovoltaica instalada en España. [6] Ilustración 4: Potencia solar fotovoltaica instalada. [6] 3.1.2 Situación actual energía eólica en España En comparación con la generación solar fotovoltaica nacional, la producción energética eólica, aumenta alcanzando un máximo histórico de 62.569 GWh (año 2023) [8], lo que supone un incremento del 2,2 % respecto al año 2022 y un 3,4% sobre 2021. [8] Ilustración 5: Evolución de la Energía Eólica en España [8] Pese a la contribución en generación nacional, la cobertura horaria sufre significativas fluctuaciones debido a la alta variabilidad del viento, registrando a finales del año 2023 franjas horarias en las que la participación eólica era inferior al 1% [8] . Pese a ello, presenta una participación histórica a nivel nacional, alcanzando el 61,25% de producción energética. [8] 42 necesidad de más celdas (tensión de celda de 1,2 V) para obtener la misma potencia que otras baterías [18]. El hecho de tener que circular grandes volúmenes de electrolito con bombas limita la aplicación de estos sistemas en el sector transporte y el sistema de control y eléctrico es complejo y costoso. [18] 3.1.5.2 Evolución del uso de baterías en España. En 2024, la potencia instalada de almacenamiento en España se sitúa en 3.356 MW, siendo 25 MW procedentes del uso de baterías; esto supone un incremento del 1,0 % respecto a 2023. [19]. Se aprecia un aumento muy acentuado en el año 2023 respecto al 2022, siendo el incremento resultante del año 2023 al 2024 casi estabilizado, dicho pico de instalación de autoconsumo entre los años 2022 y 2023 se debe a la posible acogida de los usuarios a subvenciones. En el caso de Andalucía, aquellas instalaciones de autoconsumo y almacenamiento cuya fecha de inicio sea posterior al 30 de junio de 2021, son posibles beneficiarias a dichas compensaciones [20] Este hecho explica el aumento de instalaciones de casi un 30% registrado en estos años. No obstante, la finalización de estas ayudas en el año 2024 [20] podría haber supuesto uno de los principales factores de estabilización en el aumento del uso de baterías en instalaciones de autoconsumo fotovoltaico en los dos años posteriores. Ilustración 15: Evolución de las baterías para autoconsumo en España [19] Otro factor en el aumento y la estabilización de la presencia de baterías es la maduración de la tecnología junto con su consecuente bajada de costes, lo que conlleva a su aumento en el sector tanto de producción como de autoconsumo. Ilustración 16: Evolución coste de baterías [21] En los siguientes apartados se analiza la posible gestión y ahorro asociado a la utilización de baterías en instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo, utilizando como dato de partida una vivienda modelo. 3.2. Algoritmo A continuación, se procede a desarrollar la metodología aplicada, tanto para obtención de los parámetros iniciales del cálculo, como para su posterior análisis diferenciado dos escenarios: 1. Instalación fotovoltaica sin uso de batería, diferenciando entre la vente de excedentes en el mercado libre y regulado. 2. Instalación fotovoltaica con opción de almacenamiento, en la que se plantea la gestión de la batería. 3.1.1. Parámetros iniciales Para la realización del análisis sobre la gestión de una instalación fotovoltaica de autoconsumo, se establece como referencia los registros asociados a una vivienda tipo; permitiendo así, la parametrización del objeto de estudio, considerando como periodo de evaluación un año. Con este propósito, se establecen valores de referencia correspondientes a la demanda de dicha vivienda, producción fotovoltaica de la instalación y los costes horarios parametrizados para un año del precio asociado a la energía de la electricidad procedente de la red en España. 3.1.1.1. Demanda vivienda de referencia Se establece como base de estudio, los datos asociados al año 2024, con el fin de evaluar un periodo anual completo. Con este objetivo, se toma como punto de partida los datos diarios de demanda energética para una vivienda unifamiliar, situada en Sevilla. Para proporcionar rigurosidad en lo cálculos, se establece un sistema de distribución horaria basado en porcentajes de uso, para cada franja horaria (periodos de una hora). 44 Tabla 2: Criterio porcentual de repartición horaria de la demanda Una vez establecido un perfil horario porcentual que representa la distribución de la demanda a lo largo del día, se aplica como un factor de ponderación a los datos diarios de la demanda, generando así su distribución horaria estimada correspondiente al año de estudio. 𝑬𝒅=𝑬𝒅𝒅·𝑪𝒅 Ecuación 1: Energía demandada horaria (kWh/h) Estos datos pueden ser modificados ya que la metodología aplicada es general y flexible, pudiéndose adaptar a distintos perfiles de demanda. En la siguiente figura, se muestra el consumo energético horario diario de la residencia de estudio; evaluado en kilovatios hora asociado al año 2024. Se aprecia el aumento de consumo por la tarde en contraposición con las horas nocturnas, lo que conllevará en posteriores apartados un objeto de análisis. Ilustración 17:Demanda horaria anual vivienda de estudio para el año 2024 (kWh/h) Finalmente, en la gráfica inferior se muestra el resumen mensual de la evolución de la demanda de la vivienda de estudio a lo largo del año 2024. Destacan como los periodos de mayor consumo, los meses de Enero y Febrero, probablemente causados por el uso de calefacción; junto con los meses de Julio y Agosto; que en contraposición tienden a demandar refrigeración. Ilustración 18: Demanda mensual vivienda de estudio para el año 2024 (kWh/mes) 3.1.1.2. Producción fotovoltaica de la instalación. A partir de los resultados obtenidos para el cálculo de la demandada horaria desarrollados en el apartado anterior, se procede a la determinación de la energía producida por la instalación fotovoltaica (Efi). En primer lugar, mediante la herramienta PVsyst, un software especializado en el diseño, simulación y análisis de sistemas fotovoltaicos. [22];se incorporan como ficheros de datos, los registros de irradiación solar en Sevilla junto con la demanda energética horaria correspondiente con el año 2024. Los datos climáticos utilizados han sido proporcionados por la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla; no obstante, estos pueden ser modificados para adaptarse a distintos emplazamientos. Ecuación 2: Datos climático Sevilla año 2024 3.1.1.2.1. Simulacio n de la instalacio n en la herramienta PVsyst. Tras introducir como ficheros el perfil de demanda horaria junto con los datos climáticos del emplazamiento se proceda a la simulación y diseño de la instalación. Debido a que la instalación se ubica en la cubierta de la vivienda, en función de las restricciones espaciales y de orientación impuestas por la propia residencia, se definen dos orientaciones (este y oeste). La instalación fotovoltaica se divide en dos conjuntos de módulos conectados en serie (2 strings) con 8 módulos por string. 0 100 200 300 400 500 600 700 ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE DEMANDA (Ed) (kWh/mes) MES 46 String N.º módulos por String Orientación (º) Inclinación (º) String 1 8 -90 º (Este) 15º String 2 8 +90ª (Oeste) 15º Ecuación 3: Configuración del campo fotovoltaico Ecuación 4: Resumen PVsyst. Configuración campo fotovoltaico Seguidamente, tras seleccionar el modelo de módulo fotovoltaico junto con su fabricante, se procede a realizar la simulación que proporciona la superficie total de captación de la instalación, junto con sus principales características técnicas y operativas. Ilustración 19:Resumen superficie total selecciona para la instalación junto con características del módulo fotovoltaico elegido A continuación, se expone el extracto de lo obtenido en el informe generado por el software PVsyst, en el que se representa tanto como estimación de la producción que generaría la instalación asociada al inmueble de referencia, junto con una estimación mensual del PR, también conocido como performance ratio o coeficiente de rendimiento, un indicador esencial para el análisis y funcionamiento de las instalaciones fotovoltaicas. [23]. Se obtiene un PR medio anual del 0,85. Ilustración 20:Gráficas representativas generada por herramienta PVsyst, para la obtención del PR, junto con simulación de la producción anual de nuestra instalación. En la tabla inferior, se presentan los resultados mensuales obtenidos tras realizar la simulación, en la que se aprecian las principales características técnicas de funcionamiento y principales balances energéticos que exhiben la energía generada por la instalación, la inyectada a la red como excedentes y la energía de la red utilizada para satisfacer la demanda de la vivienda. Tabla 3: Resumen de balances energéticos y resultados mensuales obtenidos en PVsyst Finalmente, como última sección generada por el software, se proporciona el diagrama de Sankey de la instalación, siendo éste un diagrama de flujo de energía [24] en el que se muestran las perdidas asociadas a la 48 transformación de energía hasta llegar a la energía inyectada a la red por parte de la instalación. Tabla 4: Diagrama Sankey Instalación fotovoltaica 3.1.1.2.2. Ca lculo de la generacio n horaria fotovoltaica de la instalacio n. Finalmente, tras comprobar que la herramienta no proporciona valores horarios, sino que la máxima resolución la realiza de forma mensual, y con el propósito de realizar una aproximación horaria de los resultados generados por el software, se utiliza la ecuación de la potencia generada por un sistema fotovoltaico, adoptando como parámetros de entrada: 1. PR medio: 0,85; siendo éste, el valor medio generado por el software PVsyst. 2. Irradiancia horaria para el año 2024 en Sevilla. 3. Rendimiento módulo fotovoltaico: 20% para el módulo fotovoltaico de referencia 4. Superficie total de captación de 34 m², de acuerdo con lo obtenido en PVsyst. A continuación, se especifica, la ecuación empleada para el cálculo. 𝑷=𝑮 · 𝑨 · 𝜼𝒔𝒕𝒄 · 𝑷𝑹 Ecuación 5:Potencia generada por un sistema fotovoltaico Una vez obtenido los valores de potencia para cada hora, se aplica un tiempo de residencia de una hora, con el fin de establecer una producción energética horaria. Ilustración 21:Resultado obtenido para generación fotovoltaica horaria (kWh/h) 3.1.1.3. Referencia de precios de electricidad de la red para el cálculo. Para la determinación de los precios de la energía suministrada por la red, es necesario establecer dos distinciones fundamentales: 1. Precio de venta de los excedentes energéticos, el cual podrá regirse por las condiciones del mercado regulado o del mercado libre, según la elección del usuario. 2. Precio de la energía demandada por la residencia, se ajusta de acuerdo con los valores establecidos en la subasta energética correspondiente al año 2024, obtenidos de Red Eléctrica Eléctrica para el mercado regulado y uno tomado como referencia para el mercado libre. Esta diferenciación permite realizar una valoración precisa del coste inicial de facturación de la energía asociada a la demanda de la vivienda sin la implementación de una instalación fotovoltaica. Sobre esta base, se aplicará posteriormente el cálculo del ahorro derivado de la generación fotovoltaica destinada a cubrir dicha demanda. Asimismo, para la determinación del ahorro por autoconsumo, se considerará el precio horario de la electricidad fijado en la subasta energética. 3.1.1.3.1. Precios de electricidad procedente de la red para cubrir la energí a demandada. Con el fin de establecer una evaluación completa durante un año, que permita un análisis más exhaustivo considerando distintas estaciones, facilitando un enfoque competo, se emplean como referencia los costes horarios de energía fijados por la subasta energética española, de carácter horario durante el año 2024. En la imagen posterior, se expone la evolución de costes asociados a la energía eléctrica para el año 2024. 50 Ilustración 22: Evolución precio energía red eléctrica 2024 Es de reseñar, un incremento de coste en el primer trimestre del año, concretamente en los meses de febrero y marzo. Sin embargo, estos tienden a estabilizarse conforme avanza el año, presentando un descenso durante el último trimestre de 2024. Para el cálculo tanto en un sistema de instalación fotovoltaica sin almacenamiento como con uno con uso de batería se emplean estos datos de referencia. Cabe destacar que la herramienta y metodología al ser de carácter general, puede adaptarse a distintos costos energéticos. No obstante, para la obtención de resultados y conclusiones, se emplea lo mostrado en la gráfica superior respecto al precio asociado a energía proveniente de la red. 3.1.1.3.2. Precios de venta de excedentes a la red. Para establecer el precio de venta de excedentes de fijan dos escenarios posibles: 1. Venta de excedentes fotovoltaicos en el mercado libre: en él se toma como precio fijo para todas las horas 0, 07 €/kWh/h. 2. Venta de excedentes fotovoltaicos en el mercado regulado: se regirán por los precios horarios establecidos en la subasta energética española. 3.1.2. Estudio instalación fotovoltaica para autoconsumo sin batería En primer lugar, y tras definir los datos de partida en el apartado anterior, se procede a la evaluación de un sistema de autoconsumo fotovoltaico sin opción de almacenamiento con baterías. Se añade como base de hipótesis la posibilidad de compensación de excedentes (generados de la diferencia de producción fotovoltaica, respecto a la energía demanda). Para ello, se distinguen dos escenarios: compensación de excedentes en el mercado regulado y en el mercado libre. 3.1.2.1. Balances energéticos de la instalación Con el propósito de homogeneizar los cálculos, se establecen variables de referencia con el fin de obtener datos relativos a la energía autoconsumida y excedentaria (si la hubiese) exportada a la red. Ilustración 23: de Instalación fotovoltaica sin almacenamiento. Variables En primer lugar, se establece una distinción entre variables conocidas y las variables sujetas a cálculo. Se consideran variables conocidas, las que proceden de la base de datos descrita en el apartado 3: demanda energética del edificio, producción fotovoltaica y costes de la electricidad procedentes de la red. Por otro lado, se establece como variables desconocidas o sujetas a cálculos, aquellas que pueden obtenerse realizando balances de energía mediante un sistema de ecuaciones en función a las variables de entrada. Los balances se realizarán en periodos de 1 hora, para un año de estudio. En la figura inferior se muestran los puntos en los que se realizarán balances de energía. Ilustración 24: Nodos en los que realizar balance de energía Se considera como datos de entrada en valores horarios: 1. Energía a la salida del campo solar (Efi) (kWh), al no considerarse en este escenario el almacenamiento, dicho valor coincide con la energía de entrada al inversor (Efs) (kWh). 2. Energía demandada (Ed), se utiliza para cálculos lo establecido previamente en el apartado “Demanda vivienda de referencia” Se contemplan como variables desconocidas, y, por tanto, objeto de cálculo: 3. Energía que sale del inversor en una hora (Ei) (kWh) 4. Energía autoconsumida en una hora (Eau) (kWh) 5. Energía excedentaria exportada a la red eléctrica en una hora (Ex) (kWh) 58 Ilustración 31:Demanda Energética vs Importe Mensual facturación Finalmente se muestra la comparativa entre lo que supondría la factura eléctrica asociada a la vivienda de estudio, respecto a lo que finalmente sería sujeto a pago por el propietario del inmueble. 3.1.2.4. Mercado libre Para la venta de excedentes tras la generación fotovoltaica en el mercado libre, no existen requisitos respecto a la potencia instalada máxima. El mercado libre, cuenta con más de 300 comercializadoras, fijando sus condiciones de forma totalmente independiente. [29] El precio para los excedentes será acordado entre la comercializadora y el consumidor, siendo generalmente constante durante el total del periodo de contratación. [29] 3.1.2.4.1. Gestio n de compensacio n por energí a autoconsumida y excedentaria. Para el estudio realizado, se fija un precio medio de 0.04 €/KWh para el año 2024. Ilustración 32: Bonificación anual generada a partir de la venta de excedentes en mercado libre En la imagen superior, se muestra el beneficio asociado a la venta de excedentes fotovoltaicos en el mercado libre, resaltando los meses de verano como principales aportaciones de remuneración debido al aumento de excedentes generados causados por el incremento de la radiación solar. 0 20 40 60 80 100 120 140 ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE Importe (€) MES Coste asociado a Demanda Energética VS. Importe mesual facturación Ced_red (€) IMPORTE TOTAL POR FACTURA (€) (C_fac) En el caso de la energía autoconsumida, no se observan variaciones con respecto a lo obtenido a través del mercado regulado, dado que los costos horarios asociados a la demanda se mantienen constantes. Como resultado, el beneficio derivado de esta modalidad, o más específicamente el ahorro generado, corresponde al producto de la cantidad de energía fotovoltaica autoconsumida y el precio horario de la electricidad establecido por el mercado. Ilustración 33: Ahorro generado por energía autoconsumida por la instalación fotovoltaica. 3.1.2.5. Análisis Comparativo de Resultados: Mercado Libre vs. Mercado Regulado A continuación, se procede a analizar los resultados obtenidos tras el estudio del ahorro generado a partir de la energía autoconsumida y la venta de excedentes, tanto en el mercado libre como en el regulado. Tabla 6: Resumen ahorro anual generado en el mercado libre y regulado. La tabla superior muestra el balance anual generado durante el año 2024, refleja el ahorro generado en la facturación, referente al apartado de energía demandada, ya que tanto el alquiler del contador, como los impuestos, así como la potencia contrada, permanecen invariables. En primer lugar, se analiza el importe que el usuario debería abonar en ausencia de ahorro derivado de la instalación fotovoltaica. Este valor de referencia es común para ambos escenarios. Asimismo, se mantiene constante en ambos casos el ahorro asociado a la energía autoconsumida, que representa el coste de la energía cubierta por la producción fotovoltaica y que debe descontarse del importe total correspondiente a la energía demandada o consumida por el usuario. Si bien la venta de excedentes en el mercado regulado ofrece en términos unitarios, una remuneración superior a la obtenida en el mercado libre, es importante destacar que en el mercado regulado el beneficio máximo está limitado al ahorro total en el apartado de energía consumida dentro de la facturación. En ningún caso la remuneración puede superar el coste total de la energía consumida. En cambio, en el mercado libre, aunque el precio de venta de los excedentes sea inferior y fijo durante todo el periodo de contratación, sí es posible obtener una remuneración económica que supere el ahorro total en energía consumida o demandada por el propietario. En la representación gráfica de los resultados el coste total sujeto a pago por parte del usuario corresponde con las celdas marrones situadas en la parte inferior de la tabla. Basándose en los resultados obtenidos tras el análisis de un año, se confirma la influencia de la estructura de 60 costes. En función de ésta, así como de los datos climáticos y la demanda de la vivienda, será posible comprobar los resultados utilizando la herramienta. 3.1.3. Estudio instalación fotovoltaica para autoconsumo con batería En este apartado, se analizará el uso, selección de tamaño y gestión de batería para una instalación fotovoltaica de autoconsumo, abarcando la determinación de la capacidad energética adecuada, así como su gestión operativa. Ilustración 34:Esquema de una instalación fotovoltaica con batería 3.1.3.1. Balances energéticos. De forma análoga a lo acontecido en el escenario de una instalación fotovoltaica sin autoconsumo, se establece una distinción entre variables conocidas y, las variables sujetas a cálculo o incógnitas. Se consideran variables conocidas: 1. Energía producida a la salida del campo solar en cada hora (Efi) 2. Energía demandada por la vivienda en una hora (Ed) 3. Estado energético de inicial de la batería al inicio de cada hora (Si) 4. Energía energética nominal de la batería (Ebat) 5. Rendimiento del inversor (ηi) 6. Rendimiento de carga de la batería (ηe) 7. Rendimiento de descarga de batería (ηs) 8. Energía máxima capaz de ser inyectada en la batería en una hora (Emax) 9. Energía mínima almacenada en la batería en una hora (Emin) Por lo que las incógnitas corresponderían a: 1. Energía que entra en la batería en una hora (Ebi) 2. Energía que sale de la batería en una hora (Ebs) 3. Energía que entra al inversor en una hora ( Efs) 4. Energía excedentaria tras carga energética de batería (Efx) 5. Energía a la salida del inversor (Ei) 6. Energía autoconsumida en una hora (Eau) 7. Energía excedentaria exportada a la red eléctrica en una hora (Ex) Para resolver el sistema planteado serían necesarias 7 ecuaciones. En primero lugar, se realizan balances de energía en los tres nodos representados en la figura inferior. Ilustración 35: Nodos balance de energía En primer lugar, se realizan balances de energía en el nodo (1), nodo (2) y nodo (3): 𝟏. 𝑬𝒇𝒊 + 𝑬𝒃𝒊=𝑬𝒇𝒙 Ecuación 10: Balance de energía Nodo (1) (kWh) 𝟐. 𝑬𝒇𝒙 + 𝑬𝒃𝒔=𝑬𝒇𝒔 Ecuación 11: Balance de energía Nodo (2) (kWh) 𝟑. 𝑬𝒊=𝑬𝒂𝒖+𝑬𝒙 Ecuación 12: Balance de energía Nodo (3) (kWh) Para la obtención de la energía de entrada y salida de la batería se considera que ambas deben encontrarse dentro de los límites operativos de la misma; además de adoptar como capacidad energética máxima almacenable la capacidad energética total de la batería. Para la realización de cálculos se definen un estado energético inicial conocido al principio de cada hora. Asimismo, se establece a una vez, un estado energético final de la batería, tras haber inyectado energía o empleado la energía almacenada en la batería para satisfacer la demanda de la vivienda. Se consideran a su vez para el cálculo, rendimientos o pérdidas asociados a la entrada y salida de energía en la batería. Por consiguiente, la energía de entrada de la batería se determinaría a partir de la siguiente ecuación: 4. 𝑬𝒃𝒊={ 𝜼𝒆· 𝑬𝒇𝒊, 𝑬𝒃𝒊≤(𝑬𝒃𝒂𝒕 − 𝑺𝒊) 𝜼𝒆·( 𝑬𝒃𝒂𝒕 − 𝑺𝒊), 𝑬𝒃𝒊≥(𝑬𝒃𝒂𝒕−𝑺𝒊) 𝑬𝒃𝒊≤𝑬𝒎𝒂𝒙 Ecuación 13:Energía de entrada a la batería(kWh) 62 Para el cálculo de energía a la salida, se tiene en cuenta que la batería siempre debe tener una energía mínima almacenada para garantizar su durabilidad y correcto funcionamiento. Por lo que, para el cálculo de energía a la salida, la ecuación planteada resultaría: 𝟓. 𝑬𝒃𝒔=𝜼𝒆· ( 𝑺𝒊−𝑬𝒎𝒊𝒏) Ecuación 14: Energía a la salida de la batería (kWh) Con el propósito de obtener la energía a la salida del inversor, se emplea como hipótesis, que la energía de entrada es igual a la de salida asumiendo unas pérdidas asociadas a la transformación energética dentro del equipo, a efectos de cálculo, esto se traduce en el rendimiento asociado al inversor. 𝟔. 𝑬𝒃𝒔=𝜼𝒊·𝑬𝒇𝒔 Ecuación 15 : Energía a la salida del inversor (kWh) Finalmente, se define como energía autoconsumida, la energía procedente de la instalación fotovoltaica que se destina a satisfacer los requerimientos asociados a la demanda de la vivienda. Por lo que la ecuación sería la correspondiente: 𝟕. 𝑬𝒂𝒖={𝑬𝒊,𝑬𝒊<𝑬𝒅 𝑬𝒅,𝑬𝒊≥𝑬𝒅 Ecuación 16: Energía autoconsumida (kWh) Mediante esta metodología, es posible determinar todas las incógnitas asociadas a los flujos de energía de la instalación, resolviendo así un sistema compuesto por siete ecuaciones con siete incógnitas. 3.1.3.2. Selección del tamaño de la batería Para estimar la capacidad energética adecuada de la batería, se parte de la hipótesis de que debe ser capaz de cubrir la demanda energética correspondiente a una hora de consumo o energía demandada por parte del usuario, añadiéndole un factor multiplicador. Con este objetivo, se calcula, inicialmente, el valor medio de la energía demandada horaria a lo largo de un año, al cual se le aplica un factor multiplicador que garantice que la capacidad total supere su promedio, garantizando así, un mayor uso de la batería. 𝑬𝒃𝒂𝒕=𝑬𝒎𝒅·𝑪𝒃𝒂𝒕 Ecuación 17: Capacidad energética de la batería (kWh) Para la realización de los cálculos y obtención de resultados, se adopta un coeficiente de sobredimensionamiento del 40 % sobre el valor medio horario anual de consumo. Respecto a los límites operativos del sistema de almacenamiento, se establecen valores umbrales para la energía útil máxima y mínima, en función de la capacidad total calculada. 𝑬𝒎𝒂𝒙=𝑬𝒃𝒂𝒕·𝑪𝒆𝒎𝒂𝒙 Ecuación 18: Capacidad energética máxima de operación de la batería (Wh) 𝑬𝒎𝒊𝒏=𝑬𝒃𝒂𝒕·𝑪𝒎𝒊𝒏 Ecuación 19: Capacidad energética mínima de operación de la batería (KWh) Se considera una profundidad de descarga del 15%, lo que supone que se utiliza hasta el 85% de la energía almacenada en la batería durante un ciclo de descarga, manteniendo siempre almacenada el 15% de su energía. A efectos de cálculo supone un coeficiente del 85 % para la carga máxima utilizable (𝑪𝒆𝒎𝒂𝒙) y un 15 % para el umbral mínimo de descarga (𝑪𝒆𝒎𝒊𝒏) Cabe resaltar que estos parámetros pueden ajustarse, dado que la estrategia presentada es de carácter general y adaptable a las especificaciones de distintos modelos de batería que pudiesen emplearse. 3.1.3.3. Gestión de la batería En el siguiente apartado se definen, por un lado, los distintos escenarios operativos considerados para el análisis de gestión de una instalación fotovoltaica de autoconsumo con baterías, junto con el criterio económico fijado para el uso de almacenamiento como forma de satisfacer la energía demandada. Se establecen como premisas iniciales para la gestión de la batería: 1. Para la selección del modo de operación de la batería (carga o utilización de batería), se considera un horizonte temporal de 24 horas a partir de la hora seleccionada, con el fin de determinar si se procede utilizar la batería, a su carga o a mantener su estado sin realizar ninguna acción. 2. Durante la misma hora no se puede cargar energéticamente la batería y su vez utilizarla, solo se realizará una de estas dos acciones. 3. Como hipótesis inicial de partida, se considera que la batería está totalmente cargada en la primera hora de estudio. 4. La prioridad, si en el sistema fotovoltaico existen excedentes de energía tras satisfacer la demanda de la vivienda, es abastecer la batería antes de verter a la red la energía excedentaria. 3.1.3.4. Clasificación de precios eléctricos aplicados al uso de batería Como etapa inicial para definir una estrategia de utilización de la batería orientada a cubrir la demanda energética horaria, se consideran tres intervalos de precios de electricidad: caros, baratos y muy baratos. Estos niveles de costes constituyen la base para evaluar la conveniencia del uso del sistema de almacenamiento fotovoltaico propuesto en esta sección. El precio muy barato sirve para detectar mínimos en los precios de electricidad. Para ello se establecen coeficientes asociados al precio medio evaluado, con el fin de adaptar la metodología utilizada a distintos perfiles de uso. 𝑷𝒄=𝑷𝒎·𝑪𝒑𝒄 Ecuación 20: Determinación precio caro para uso de batería 𝑷𝒃=𝑷𝒎·𝑪𝒃 Ecuación 21:Determinación de precio barato para uso de batería 𝑷𝒃𝒃=𝑷𝒎·𝑪𝒃𝒃 Ecuación 22: Determinación precio muy barato para uso de batería El análisis contempla un horizonte temporal de 24 horas, por lo que las decisiones de operación del sistema de almacenamiento se realizarán con una resolución horaria. Para ello, se calculan valores promedio de 24 horas a 64 partir de la hora sujeta a opción de descarga o carga de la batería hasta las 23 horas siguiente, planteándose una comparativa entre el coste energético asociado a dicha hora respecto al promedio de este periodo junto con las siguientes 23 horas. Dicho análisis comparativo se realizará de forma iterativa para el resto del año. En conclusión, la utilización de la batería se analiza en cada hora, teniendo en cuenta un horizonte de 24 horas, utilizando como hipótesis de uso tres franjas de costos energéticos que determinan su viabilidad o rentabilidad económica de uso. 3.1.3.5. Tipología de escenarios considerados en la estrategia de uso de la batería Para establecer la elección de uso de la batería de forma horaria teniendo en cuenta un horizonte de veinticuatro horas, se analizan 8 escenarios posibles, en los que se busca abarcar el mayor número de posibilidades que podrían darse para la gestión del almacenamiento en la instalación fotovoltaica. - Escenario 1: Todo red En este escenario, no se tendría producción fotovoltaica, la batería podría o no estar cargada pero el precio de la electricidad se considera “muy bajo”, por lo que independientemente del estado de carga de la batería, la energía demandada para dicha hora se cubriría con la red eléctrica. - Escenario 2: Todo fotovoltaica En esta casuística, la producción fotovoltaica procedente de la instalación es superior a la energía demandada para dicha hora, por lo que con los excedentes procedentes de la instalación se carga la batería hasta su capacidad máxima si fuese posible. De encontrarse la batería al 100% de su capacidad energética, y considerarse el precio de electricidad “caro” en dicha hora, se utilizaría la batería. - Escenario 3: Todo batería Para esta hipótesis, no hay producción fotovoltaica, el precio de la electricidad horario se considera de acuerdo con lo fijado en el apartado anterior “caro” y existe suficiente capacidad en la batería tal que pueda satisfacer la energía demandada y la capacidad de la batería sea tras su uso igual o superior a la capacidad mínima de operación. - Escenario 4: Parte fotovoltaica y de red Para dicha configuración, se considera que existe producción fotovoltaica; pero es inferior a la energía demandada horaria; además de presentar un precio de electricidad “barato”, por lo que no se considera rentable el uso de la batería independientemente de su estado de carga. - Escenario 5: Parte fotovoltaica y batería En contraposición, en este escenario, también existe producción fotovoltaica, siendo inferior a la energía demandada; pero el precio de la electricidad, como concepto de energía para dicho periodo, se considera “caro”, por lo que, si la diferencia entre la energía demandada y la energía de producción puede ser cubierta por la batería, considerando siempre como límite de utilización su capacidad mínima de operación o estado mínimo de carga (Emin), se optará por su uso, hasta cubrir con la totalidad de la energía demandada por el usuario para dicha hora. - Escenario 6: Parte batería y red No existe producción fotovoltaica, se considera “caro” el coste de energía procedente de la red, pero la batería no tiene suficiente carga como para satisfacer la energía demandada; por lo que se hibrida el uso de la batería con el de la red. Cabe reseñar que la batería siempre debe operar entre los límites máximos y mínimos de operación, por lo cual, aunque numéricamente coincidan la energía demandada con la capacidad real de la batería, siempre se considera como límite de uso la energía mínima (Emin). - Escenario 7: Parte fotovoltaica, batería y red Para este escenario, se emplean todas las opciones posibles para satisfacer la energía demandada en esta hora. Existe producción fotovoltaica, pero es inferior a la energía demandada, el precio de la electricidad es “caro”; la batería tiene capacidad para satisfacer una parte del remanente de la demanda, pero no el suficiente para abastecer la diferencia total entre producción y demanda, por lo que la parte no cubierta es atendida por el suministro convencional (red eléctrica). - Escenario 8: Red Finalmente, este supuesto es similar al escenario 1 “Todo red”, ya que no existe energía procedente de la instalación fotovoltaica; el coste de energía eléctrica es superior al planteado en el caso 1, pero sigue siendo inferior al precio medio, por lo que se considera “bajo”, lo que lleva a la conclusión de no utilizar la batería, independientemente de su estado de carga, ya que no es rentable. A continuación, se muestra el diagrama de decisión que refleja el criterio utilizado para el uso de energía procedente de la batería con el fin de satisfacer la demanda existente en la hora de análisis. Este procedimiento, se emplea de carácter general; pudiéndose particularizar para distintos perfiles de demanda y de instalaciones fotovoltaicas con almacenamiento. Efv < 0? No Sí Celec ≥ Pm· Cpc? No Celec ≥ Pm· Cpbb? Sí (AbatEd) ≥ Emin? No Sí Escenario 1 Todo red Celec <Pm? Escenario 8. Red Sí No Escenario 3. Todo batería Escenario 6. Parte batería y red Efv > Ed? Sí Escenario 2. Todo FV No Celec ≥ Pm· Cpc? Sí No Escenario 4. Parte FV y red Emin ≥ (Ed-Efv)? Sí No Escenario 5. Parte FV y batería Escenario 7. Parte FV, batería y red 66 Ilustración 36: Gestión de Batería: Diagrama de Flujo 3.1.3.6. Particularización para perfil de estudio. El objetivo de la gestión del posible almacenamiento con baterías en una instalación fotovoltaica reside en decidir para cada hora el uso o no de la energía almacenada, teniendo siempre en cuenta un horizonte de veinticuatro horas. 3.1.3.6.1. Tamaño de batería. En primer lugar, se analiza y obtiene el valor medio en base a la energía demandada del perfil de estudio para el año 2024, resaltando un aumento en las estaciones de invierno y verano, coincidiendo con las épocas de uso de calefacción y refrigeración de la vivienda. Ilustración 37: Evolución de la energía demandada mensual a lo largo del año Finalmente, el promedio anual de energía demandada para dicha vivienda de análisis; sería de 0.549 kWh, tras añadir un factor multiplicador del 40%, la capacidad final de la batería sería de 0.769 kWh. Tras obtener la capacidad energética total de la batería, se procede al cálculo de los valores de operación. La batería debe permanecer siempre dentro de los límites máximos y mínimos de operación para garantizar su correcto funcionamiento y preservar la vida útil avalada por el fabricante. Por ello, se fijan valores porcentuales en función de la capacidad total de la misma. Se utiliza como datos de partida, la capacidad máxima de operación corresponde con un 85% de la global y una mínima del 15%, lo que corresponde con una profundidad de descarga del 15 %. Tabla 7: Resumen parámetros de diseño de la batería En la tabla superior se muestra un resumen de los valores obtenidos, tanto para la capacidad global como para sus límites operativos; destacando el cumplimiento del requerimiento que fija que la capacidad máxima de operación supere la energía media demandada a lo largo del año, con el fin de garantizar el uso completo de la batería durante un mayor número de horas. Asimismo, se indican, a su vez, los coeficientes empleados para el cálculo, junto con la energía o capacidad mínimas que debe albergar el sistema de almacenamiento. 3.1.3.6.2. Criterio considerado para la primera hora de análisis Como hipótesis de partida, se fija como premisa inicial que, para la primera hora de año, la batería se encuentra cargada en su totalidad. Ilustración 38: Estado energético inicial de batería: primera hora del año Tras fijar el estado energético inicial del sistema de almacenamiento, y tomando como alcance 24 horas, se decide, para dicha franja horaria, el uso de la batería para satisfacer la energía demandada, en función de la clasificación de precios empleados como premisa. Para cada hora se compararán el coste de electricidad proveniente de la red con el promedio desde esa hora hasta las siguientes 23 horas. Con el fin de establecer el precio de la electricidad asociado a esta hora, se considera “caro”, y, por tanto, si no existiera energía fotovoltaica para satisfacer la totalidad de la energía demandada, sería sujeto al uso de la energía almacenada en la batería para satisfacer el consumo del usuario, o “barato”, en el caso de disponer de excedente fotovoltaico se procedería a cargar la batería. Durante la misma hora solo se puede adoptar una acción, cargar a batería o utilizarla para satisfacer la demanda, pero en ningún caso, se pueden dar de forma simultánea. Se establecen balances de energía entre la entrada y salida de la batería, teniendo en cuenta que la energía de salida dependerá del caso que aplique para cada hora, en función de si hay producción fotovoltaica, el estado de carga inicial de la batería en dicha hora, y si la comparativa entre el precio horario de energía procedente de la red, junto con el promedio de las siguientes veinticuatro horas, se establece como favorable y, por tanto, sujeto a la utilización de esta. La energía de entrada de la batería en la hora siguiente será el resultado de la obtenida como energía “real a la salida”; estableciéndose como premisa que la máxima energía capaz de ser inyectada es la máxima de operación (Emax). 74 4 HERRAMIENTA DE CÁLCULO EMPLEADA La metodología y cálculo desarrollado en el presente Trabajo de Fin de Grado, ese encuentra implementada en un archivo Excel. A continuación, se procede a detallar el modo de uso de esta. 4.1. Presentación general de la herramienta En la herramienta aparecen 6 pestañas destinadas al cálculo. 1. Caso base: correspondiente con el escenario de una instalación fotovoltaica sin almacenamiento 2. Caso Batería: asociado al cálculo y gestión de una instalación fotovoltaica con almacenamiento por baterías. 3. Producción generación FV: representa la energía producida por el sistema fotovoltaico (Efi) 4. Demanda, para el cálculo de la demanda horaria anual. 5. Precio elec (€/MWh), hace referencia al precio de energía eléctrica de red. 6. Datos irradiancia, en este caso son de Sevilla. Ilustración 49: Apartados generales de la herramienta Para una automatización completa, se sigue en siguiente orden de actuación: 1. Precio elec € / MWh. 2. Datos climáticos 3. Demanda 4. Energía generación FV 5. Caso base 6. Caso batería En los siguientes apartados se explicará de forma detallada, cada una de las hojas mostradas. 4.2. Precio electricidad red eléctrica En este apartado inicial, se presentan los precios asociados a la electricidad de la red obtenidos a partir de red eléctrica. Ilustración 50: Precio electricidad red (€/MWh/h) En la parte izquierda de la imagen superior se presenta el formato proporcionado por Red Eléctrica. A su derecha, en color azul, se encuentra una tabla diaria automatizada que facilita la lectura y permite una visualización más clara de los datos y una mayor facilidad de comprobación de éstos. Esta tabla azul está vinculada al formato de la izquierda, por lo que únicamente es necesario pegar los datos en este último para que la tabla azul se actualice automáticamente. 4.3. Datos climáticos Está segunda pestaña muestra los datos climáticos acontecidos en Sevilla durante el año 2024. Estos valoren fueron proporcionados por la Escuela Técnica de Ingeniería de Sevilla. En verde aparece representada la columna GHI, “Global Horizontal Irradiance”, o irradiancia horizontal global, que será empleada para el cálculo de la energía producida por la instalación fotovoltaica (Efi). Ilustración 51: Irradiancia horaria en Sevilla año 2024 4.4. Demanda Este apartado se centra en el cálculo de la estimación de la demanda horaria del usuario, en el caso de solo disponer de datos diarios a lo largo del año. Generalmente para un año de estudio solo se dispone de los datos diarios asociados a la demanda consumida por la vivienda, por lo que evaluando la tendencia anual y el perfil del usuario de adoptan porcentajes horarios de consumo respecto a la energía demandada diaria. Si se dispusiera de los datos horarios, se copiarían directamente 76 en la tabla “DEMANDA HORARIA (kWh/h)”, en la columna “DEMANDA” Ilustración 52: Demanda horaria de la vivienda (kWh/h) En el caso de tener consumos eléctricos diarios, se adjuntarían en el apartado “consumo mensual”, en la columna AE_kWh, para cada mes de estudio, y posteriormente se procedería a cumplimentar el desglose porcentual del perfil la demanda diaria. Ilustración 53:Demanda mensual (kWh) Ilustración 54:Repartición porcentual del consumo diario a lo largo del año Una vez cumplimentados los datos de demanda mensual y % de consumo, la herramienta generaría la demanda horaria para el año de estudio. A su vez, también realiza de forma automática un resumen mensual y trimestral que permite ver la evolución a lo largo del año. Ilustración 55: Resumen m energía demandada (kWh) En síntesis, para una automatización completa solo sería necesario introducir en la hoja para obtener resultados: 1. Demanda diaria mensual. 2. % de Consumo diarios 4.5. Energía de generación fotovoltaica Para el dimensionamiento de la instalación, se emplea el software “Pvsyst”, pero esta herramienta presenta como limitación la presentación de los resultados de energía proporcionada por la instalación fotovoltaica en carácter mensual, sin una mayor resolución, por lo que esta pestaña se utiliza para la obtención de forma aproximada de la energía producida por el sistema fotovoltaico (Efi). Para ello se deben seguir los siguientes pasos: 1. Implementación del perfil climático (pestaña: “Datos de irradiación”) en el programa Pvsyst 2. Tras simular y obtener el informe generado por el software, introducir en la herramienta el valor obtenido para su PR (Performance Ratio”), Área de captación y rendimiento del módulo fotovoltaico seleccionado. 78 Ilustración 56:Datos obtenidos de Pvsyst que introducir en la herramienta El resto de las columnas se generan de forma automática. La columna azul muestra los resultados obtenidos para la producción horaria de la instalación fotovoltaica (Efi). Ilustración 57: Producción Fotovoltaica horaria 4.6. Caso base Esta hoja se centra en la simulación de la instalación fotovoltaica sin almacenamiento, estableciendo los flujos de energía horarios para un año, junto con el análisis del ahorro generado acogiéndose a la venta de excedentes fotovoltaicos en el mercado libre y el mercado regulado. Se divide en 4 secciones. 1. Resumen Inicial 2. Balances de energía y ratios energéticos 3. Mercado libre 4. Mercado regulado. 4.6.1. Resumen inicial Se sitúa en la parte izquierda de la hoja, y muestra la situación de la vivienda sin la implementación de una instalación fotovoltaica, está totalmente automatizada utilizando los valores de precios de electricidad de la red y demanda de las pestañas mostradas en los apartados anteriores. Ilustración 58:Resumen inicial instalación fotovoltaica sin autoconsumo 4.6.2. Balances de energía y ratios energéticos Este segundo bloque se centra estudio de la propia instalación fotovoltaica, incluyendo el análisis de los balances energéticos que se producen en la misma, así como la obtención de las ratios que permiten evaluar si la instalación está correctamente dimensionada. Todo el proceso se encuentra completamente automatizado, por lo que no es necesario introducir ningún dato adicional. Ilustración 59: Balances de energía y ratios horarios para una instalación fotovoltaica sin almacenamiento 4.6.3. Mercado libre En este bloque se analiza el ahorro generado mediante la venta de excedentes fotovoltaicos en el mercado libre. El único dato necesario de aportar sería el precio de venta de excedentes del mercado libre, ya que es un valor que se consensua entre el usuario y la comercializadora, el resto se cumplimentaría automáticamente. 80 Ilustración 60: Valor de precio de excedentes necesario de introducir en la herramienta En la parte inferior de la imagen mostrada, también se refleja el ahorro anual presentado en el caso de acogerse a la venta de excedentes en el mercado libre y el mercado regulado, como resumen global y final tras el análisis. Ilustración 61: Análisis ahorro mercado libre 4.6.4. Mercado regulado Tal y como acontece a lo realizado para el escenario de venta de excedentes en el mercado libre, se realiza la misma tabla, para la obtención del ahorro asociado a la venta de excedentes en el mercado regulado. A su vez también está automatizada y los precios de electricidad son los asociados a los de la red eléctrica (€/kWh/h), asociados a lo obtenido en la tabla resumen de esta misma hoja “(PRECIO ELECTRICIDAD RED €/kWh/ h)” Ilustración 62: Ahorro horario anual en mercado regulado En el escenario del mercado regulado, las bonificaciones asociadas a la venta de excedentes son de carácter mensual, por lo que la siguiente tabla verifica este hecho, considerando que el importe total a abonar por parte del propietario tiene como límite 0, es decir, no puede obtener beneficios, solo ahorro. No habría que modificar ningún valor. Ilustración 63: Ahorro mensual mercado regulado Por lo que, a modo de síntesis, solo habría que introducir como dato el precio de venta de excedentes en el mercado libre, el resto de las variables, se resolverán de forma automatizada. 4.7. Caso batería Finalmente, esta hoja se centra en la simulación de la instalación fotovoltaica con almacenamiento mediante baterías, estableciendo los flujos de energía horarios para un año, ratios energéticos asociados, junto con el análisis del ahorro generado acogiéndose a la venta de excedentes fotovoltaicos el mercado regulado. Se divide en 3 secciones. 1. Datos de entrada 82 2. Balances de energía y ratios energéticos 3. Ahorro generado en merado regulado 4.7.1. Datos de entrada Para la simulación y cálculo de un sistema fotovoltaico con almacenamiento la herramienta requiere introducir valores para los coeficientes asociados al dimensionamiento de la batería, distribución de precios de de electricidad proveniente de la red y rendimientos. En primer lugar, para la obtención para obtener la evaluación horaria completa son necesarios introducir valores para las siguientes variables: 1. Rendimiento de carga de la batería 2. Rendimiento descarga de la batería 3. Rendimiento del inversor 4. Coeficiente precio caro en mercado regulado 5. Coeficiente precio bajo en mercado regulado 6. Coeficiente precio muy bajo en mercado regulado 7. Coeficiente energía máxima admisible en carga de la batería 8. Coeficiente energía mínima almacenada en la batería 9. Coeficiente capacidad energética nominal batería Ilustración 64: Datos de partida necesarios para cálculo 4.7.2. Balances de energía y ratios energéticos Tras haber introducido los datos de partida, la herramienta resuelve de forma automática los balances de energía, calcula los ratios que permiten la evaluación de la instalación, y gestiona el uso de la batería, considerando los datos de demanda y producción fotovoltaica existentes en las pestañas de “demanda” y “energía de generación fotovoltaica” La primera parte de la tabla es común a lo representado en el caso de una instalación fotovoltaica sin almacenamiento. Ilustración 65:Extracto tabla balances energéticos Para el estado inicial de la batería (celda marcada en marrón), se establece como premisa inicial que la batería se encuentra completamente cargada, por lo que su estado energético inicial es el 100%, dicha hipótesis puede modificarse, pudiéndose ajustar a otro estado energético inicial de partida. Ilustración 66: Continuación tabla balances energéticos. Gestión de batería En la imagen superior se expone la continuación de la tabla correspondiente al análisis de los balances energéticos efectuados. Destacando en cuanto a la gestión de la energía un estado energético inicial (numérico y porcentual), junto con dos alternativas de estados energéticos finales diferenciando dos situaciones; la carga energética de la batería y la inyección de energía procedente de la batería a la red. Ambos estados energéticos finales, representan el mismo momento, ya que en el transcurso de la misma hora no se puede suministrar energía a la batería y a su vez utilizarla para abastecer la demanda. Finalmente, la herramienta presenta, el escenario de estudio correspondiente con lo detallado en el apartado 3, junto con los ratios asociados a la autosuficiencia, autoconsumo fotovoltaico y tasa de cobertura solar. 90 [24] FasterCapital, «Tecnicas de visualizacion Diagramas de Sankey seguimiento de flujos de energia y materiales con diagramas de Sankey,» Fastercapital, 19 Mayo 2025. [En línea]. Available: https://fastercapital.com/es/contenido/Tecnicas-de-visualizacion--Diagramas-de-Sankey-- seguimiento-de-flujos-de-energia-y-materiales-con-diagramas-de-Sankey.html. [Último acceso: 28 06 2025]. [25] MBGS, «¿Cuáles son los indicadores energéticos?,» MBGS, 2025. [En línea]. Available: https://www.mbgs.es/cuales-son-los-indicadoresenergeticos/#:~:text=Los%20indicadores%20energ%C3%A9ticos%20son%20m%C3%A9tricas%20 utilizadas%20para%20evaluar,su%20uso%20para%20ser%20m%C3%A1s%20sostenibles%20y%2 0eficientes.. [Último acceso: 29 06 2025]. [26] d. 5. d. a. p. e. q. s. r. l. c. a. t. y. e. d. a. d. e. e. Real Decreto 244/2019, «https://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-2019-5089,» [En línea]. Available: https://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-2019-5089. [Último acceso: 15 Mayo 2025]. [27] «Diseño de una instalación fotovoltaica de 80kW trifásica,» [En línea]. Available: https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/189201/Ortega%20- %20Diseno%20de%20una%20instalacion%20fotovoltaica%20de%2080kW%20trifasica%20interco nectada%20a%20red%20para%20abast....pdf?sequence=1&isAllowed=y. [Último acceso: 15 Mayo 2025]. [28] Naturgy, «Autoconsumo con compensación,» Naturgy, 2025. [En línea]. Available: https://www.naturgy.es/hogar/solar/excedentes_autoconsumo. 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ÍNDICE DE CONCEPTOS 92 GLOSARIO ISO 4 UNE: Una Norma Española 4