Las granjas solares urbanas no son tema nuevo. En México, no obstante, para los usuarios de la ciudad representa una ventana de oportunidad que recién se abre y que les podría ayudar a reducir su monto de facturación eléctrica.
Por Redacción
En México, es necesario que gobierno, iniciativa privada y usuarios finales trabajen en una misma línea para lograr maximizar el gran potencial que ofrece la generación fotovoltaica en las ciudades. En el país, se cuenta con la tecnología necesaria, las condiciones geográficas y climáticas óptimas para aprovechar al máximo la irradiación solar. En este sentido, ya se ha avanzado en el camino para lograr una correcta normalización y regulación del uso de la energía, lo que permite vislumbrar con cierto optimismo el futuro de dichos sistemas en el país.
Diversos países del mundo han logrado avances considerables en este tema. En Estados Unidos, por ejemplo, es notable el crecimiento que ha registrado el sector fotovoltaico en el ámbito de la generación distribuida urbana, principalmente en California.
Ahora bien, el concepto de granja solar urbana va más allá de la generación centralizada, de la generación doméstica e individual a nivel residencial y de la generación comercial. Se trata de un sistema fotovoltaico que opera como una fuente colectiva de energía interconectada con la red. Este término ha sido adoptado del concepto de granja solar que la Comisión Federal de Electricidad (CFE) ha implementado en el ámbito rural. La diferencia estriba en que en la aplicación rural la granja solar es independiente de la red.
Una granja solar urbana es una fuente colectiva fotovoltaica con una serie de atributos principales:
- Su propiedad es compartida por una comunidad residencial o comercial. Se puede establecer en un conjunto habitacional para servir a los residentes o en un conjunto comercial para dar servicio al conglomerado de usuarios comerciales de éste
- Opera dentro de un marco legal que permite al usuario beneficiarse del mecanismo de medición neta en su consumo eléctrico; es decir, la fuente colectiva aportará energía para autoabastecimiento, pero en la medida que no se consuma por los usuarios podrá entregarse a la red de la CFE y habrá una retribución energética
Diversidad tecnológica
La tecnología fotovoltaica tiene su base en una celda de material semiconductor, en la cual, al ser iluminada, se genera una diferencia de potencial eléctrico. Una celda fotovoltaica es un generador eléctrico. Un conjunto de celdas interconectadas entre sí conforman un módulo fotovoltaico. A su vez, si varios módulos se agrupan en un conjunto mayor se obtiene un arreglo fotovoltaico. Dado que un arreglo fotovoltaico produce electricidad en corriente directa, es necesario utilizar un inversor para que pueda dar servicio en corriente alterna. El sistema puede conectarse a la red y servirse de ella como si se tratara de una gran batería de respaldo.
Es importante tener presente que la irradiación solar es intermitente. Por ello, la producción eléctrica también lo es. Al amanecer, los arreglos fotovoltaicos empiezan a generar energía, encontrando su máximo al mediodía y al atardecer una producción más baja. Además, la producción de energía es afectada por las diferentes condiciones climáticas.
También, existe una gran diversidad de tecnologías fotovoltaicas. La principal se conoce como de silicio cristalino, puede ser de silicio monocristalino o policristalino. Otros materiales importantes son los de película delgada.
Cada tecnología tiene atributos propios, definidos en términos de eficiencia, espacio requerido y desempeño. En proyectos donde el espacio es restringido, como en aplicaciones residenciales o comerciales, son más indicadas las tecnologías de silicio cristalino, debido a que poseen mayor eficiencia que las tecnologías de película delgada. De cualquier modo, debe realizarse siempre balance entre eficiencia y costo.
Por otra parte, existen aplicaciones especiales de película delgada en las que se pueden utilizar materiales flexibles, aspecto importante para casos en los que se busca una mayor integración de los elementos fotovoltaicos con la arquitectura del edificio o el conjunto concebido.
A nivel sistema, una granja solar urbana se integra con ciertos elementos básicos:
- Generador fotovoltaico
- Subsistema de acondicionamiento de potencia, conocido como inversor
- Interfaz con la red
- Subsistema de control y monitoreo
Un generador fotovoltaico no sólo incluye el arreglo de módulos, también cuenta con cajas de conexión, cables, sistemas de tierras, dispositivos de protección y estructura de montaje, entre otros.
El subsistema de acondicionamiento de potencia o inversores convierten la electricidad de corriente directa en corriente alterna, con el propósito de facilitar el uso de aparatos y proporcionar protección; de tal forma que sí se presenta un corte en el suministro de la red, no se ponga en riesgo al personal de mantenimiento.
El inversor es el corazón del sistema fotovoltaico. Es el componente que permitirá distribuir la energía y entregarla con confiabilidad y seguridad. El inversor, debido a su configuración interna, permite asegurar el uso óptimo de la energía.
En cuanto a los materiales fotovoltaicos, debe reconocerse que sufren una degradación natural a nivel electrónico; es decir, que a lo largo de su ciclo de vida útil sed van degradando y disminuyendo su capacidad de generación eléctrica. En la actualidad, las garantías comerciales aseguran que en los primeros 10 años se genere hasta 90 por ciento de la producción nominal; después de 10 y hasta 25 años, un mínimo de 80 por ciento de ella. Es muy importante tomar en cuenta la tolerancia de potencia que se especifica en las hojas de datos de los módulos, ya que por ejemplo una tolerancia de ±5 % implica que el primer día no se genere hasta 5 % de lo esperado.
GRANJAS SOLARES URBANAS
Irradiación solar
México, al ubicarse en el Cinturón del Sol (margen geográfico localizado entre las latitudes de -35 y +35 grados, donde se concentra la mayor irradiación solar del planeta), se beneficia en toda la extensión de su territorio con una gran irradiación solar, siendo posible un significativo potencial de aplicaciones en términos de este recurso.
Ahora bien, considérese la configuración o diseño que puede tener un sistema fotovoltaico. Suponiendo que se instalan 10 kilowatts (kW) de módulos fotovoltaicos en una residencia, el número de módulos instalados dependerá de su capacidad nominal. En la actualidad, se ofrecen módulos de más de 300 watts (W).
El número de módulos por instalar dependede la capacidad del módulo elegido y de la capacidad de la granja. Hay que hacer énfasis en la conveniencia de que la granjase conciba desde la planeación del conjunto habitacional.
Es posible considerar que si la fuente colectiva sirve a un conjunto habitacional, se debe definir una distribución de su capacidad entre todos los usuarios del conjunto; por ejemplo, si el conjunto está integrado por 20 departamentos con una distribución de capacidad homogénea, con 0.5 kW asignados a cada departamento, se requeriría una granja de 10 kW. Sin embargo, la distribución puede ser no homogénea. Si se contempla que a algunos usuarios no les interesa tener una entrega de energía renovable y deciden no incorporarse a la propiedad de la fuente colectiva, se puede realizar una distribución variable.
Tal asignación de capacidades dependerá, entre otras cosas, de un estudio económico individualizado según cada patrón de consumo. Puede ser que algunos usuarios tengan un patrón de consumo eléctrico alto y decidan instalar una mayor capacidad en sus hogares.
Otro concepto ilustrativo sería la aplicación de una granja solar urbana o fuente colectiva en un condominio horizontal. La energía solar hace uso extensivo del espacio, un aspecto importante, ya que al concebir una aplicación se debe pensar en utilizar espacios no utilizados de bajo valor; por ejemplo, techos de estacionamientos o techos de un área común del conjunto habitacional, como un salón de eventos. Una instalación a nivel de piso debe ponderarse seriamente, debido a que el terreno del área que se utiliza puede tener un valor comercial muy elevado.
Primeros pasos
En México, la primera tentativa para constituir una granja solar urbana se realizó en Cancún, por parte del desarrollador inmobiliario Urbi. Este primer esfuerzo es reconocible por haber contribuido a que se generara una corriente de mayor interés oficial y del gremio fotovoltaico en la temática.
Si bien el desarrollo de granjas solares urbanas en nuestro país está en sus primeros pasos, se están generando sinergias importantes entre los diversos actores involucrados. En este sentido, resulta de suma importancia la difusión del tema en todos los niveles.
Marco regulatorio
En 2012, la Comisión Reguladora de Energía (CRE) expidió el modelo de contrato de interconexión para fuente colectiva de energía renovable o sistema colectivo de cogeneración eficiente en pequeña escala.
Este contrato de interconexión se celebra entre el generador y el usuario (persona física o moral). La relación del contrato es indefinida y aplicable en servicio residencial hasta 10 kW por usuario y en servicio de uso general en baja tensión hasta 30 kW. Existe una carga máxima de la fuente colectiva equivalente a 500 kW y siempre debe ser interconectada en baja tensión.
Hay algunas particularidades que marca el contrato de interconexión: todos los equipos que integran la fuente colectiva son un derecho de propiedad exclusiva del usuario, tiene asignada una parte de la granja y se entiende que es parte de su propiedad. Asimismo, la infraestructura de interconexión es compartida; el sistema de medición de energía eléctrica, que en este caso es bidireccional, es propiedad de la CFE y, finalmente, la energía generada es prorrateada entre las viviendas de manera proporcional.
El contrato de interconexión es descargable en internet y maneja varios términos y abreviaturas. Por ejemplo, PPG es la parte proporcional de generación y se entiende como la capacidad asignada de la fuente para el consumo de cada usuario. En términos de las normativas locales, se observa la necesidad de contar con una regulación de construcción que legisle contemplando la instalación de estos sistemas. No es lo mismo instalarlos en zonas que son comúnmente azotadas por huracanes, que en regiones con bajas velocidades de viento la mayor parte del año.
En este tema aún queda camino por recorrer. En Estados Unidos, por mencionar un ejemplo, existe la figura del inspector, quien es la encargada de revisar la calidad de las instalaciones y corroborar los aspectos del sistema, así como de que la integración se haya realizado apropiadamente tanto de manera técnica como arquitectónica.
Funcionamiento y medición
El sistema fotovoltaico o la fuente colectiva debe entregar energía a un punto común de interconexión a través de un medidor general bidireccional, el cual permitirá medir la energía que se entrega a la red y aquella que entra a la fuente. La fuente entrega energía a la red de la CFE, pero también recibe energía durante la noche, mientras que el inversor es un bajo consumidor de energía que demanda potencia de la red.
Cuando la energía es entregada en un punto de interconexión común, los usuarios se pueden conectar a él a través de un medidor convencional de carga; esto significa que el usuario no requiere de un medidor especial. Así, la energía puede fluir de la fuente de generación a los usuarios en caso de requerirla; mientras que, de no demandarla, se va a la red de la CFE.
Un aspecto importante es que los medidores individuales deben estar concentrados en un banco de medidores, y conectados a un punto o bus común. También puede contarse con un medidor de área común, que mide cualquier uso general del conjunto habitacional.
En términos económicos, los usuarios tienen asignado un nivel tarifario de uso doméstico, aunque no así el servicio general para alumbrado, para el cual existe otra consideración en términos económicos.
Para facturar el consumo de un usuario participante de una granja, CFE aplica el mecanismo de medición neta: la energía que suministra CFE al usuario, menos la energía que el usuario entrega a CFE. Esta ecuación la maneja CFE como parte de su proceso de cobro y arroja tres posibles resultados: saldo a favor de la CFE; saldo a favor del generador, o que no se registre diferencia entre ambas partes.
Provecho de la granja solar
Antes de que existiera la regulación, para el habitante de un condominio era complicado acceder al beneficio del autoabastecimiento eléctrico con energía solar fotovoltaica. A partir de que se establece el marco regulatorio, el usuario de este tipo de instalaciones puede tener acceso físicamente a un autoabastecimiento eléctrico con energía renovable, en el cual existe un factor de economía de escala en el costo del sistema.
El costo de un sistema a nivel individual es proporcionalmente mayor al costo de un sistema de mayor escala, dado que en este último existe una mayor integración de elementos que permite que en términos unitarios sea menor el costo de inversión.
Los beneficios para los desarrolladores dependerán del enfoque de negocio que tengan; por ejemplo, si su enfoque es generar vivienda verde o sostenible, puede integrar una variante más a la oferta de sus productos y ofrecer una vivienda con un cierto margen de sustentabilidad, y así desembocar en una certificación como vecindario verde. Para el producto, incorpora un valor agregado y plusvalía por responsabilidad social y ambiental, así como una renovada imagen comercial.
Por su parte, para los contratistas se abre un nuevo nicho de negocios que les puede permitir posicionarse como punta de lanza, debido a que es una modalidad relativamente nueva en este sector de la industria. Podrán disponer de un producto del ramo eléctrico vinculado a la construcción de vivienda masiva; ésta se refiere a una política federal que particularmente se está enfocando en la vivienda vertical, pero se debe considerar bajo qué conceptos se están multiplicando y bajo qué criterios de sustentabilidad urbana se están desarrollando.
Se podría pensar en un condominio con consumo neto de energía igual a cero y tener un importante margen de sustentabilidad en la forma en que se están concibiendo el desarrollo de viviendas masivas.
Para los desarrolladores de sistemas fotovoltaicos, la implantación de granjas solares urbanas es muy importante porque muchas empresas del ramo han visto su mayor margen de aplicaciones en sistemas pequeños; tener una aplicación mayor les puede abrir una nueva oportunidad de negocio.
Para la CFE también representa una ventana de oportunidad, ya que se incorporan mayores niveles de generación distribuida renovables, con una significativa disminución de pérdidas por transmisión, transformación y distribución de la energía.
Por otra parte, México se encuentra comprometido en sus metas de incremento de generación eléctrica por fuentes renovables para 2024, lo que implica dar saltos importantes en capacidad instalada. De abrirse una nueva área de oportunidad en la que se pase de unos cuantos kilowatts a decenas o centenas, se podrían alcanzar los objetivos trazados con mayor facilidad.
En la región norteamericana, mientras tanto, California es uno de los estados que cuenta con la modalidad de granjas solares urbanas en curso. En él se han desarrollado programas de incentivos muy ambiciosos, principalmente para la vivienda económica. De tal manera que se están generando grandes volúmenes de capacidad fotovoltaica, que se vincula al desarrollo de los complejos habitacionales.
Durante 2014, en México, se llevó a cabo un foro en el que participó el ente regulador de California y presentó el programa de incorporación de esta tecnología a la vivienda multifamiliar en un nivel socioeconómico bajo. Es muy interesante el número de aplicaciones que se han trabajado en pocos años y la capacidad eléctrica agregada a su matriz energética de energía renovable.
Sostenibilidad
Este término común y multifactorial comprende el ámbito social, económico y energético, y la tecnología fotovoltaica es una tecnología de generación eléctrica sustentable.
Si se hace una contabilidad de la energía que se invierte a lo largo del ciclo de vida de un sistema fotovoltaico, se observará que su construcción, operación y desmantelamiento es menor que la energía producida por el sistema en su periodo de vida útil.
Por otro lado, respecto del tiempo de retorno de la energía, éste es un término común y es el que se requiere para que un sistema fotovoltaico genere una cantidad de energía igual a la energía total que se invirtió en su construcción. Esto dependerá de la eficiencia de conversión, la radiación solar y la tecnología de manufactura, entre otras. En la mayoría de los casos, es menor a tres años.
Incrementar la capacidad instalada en energía renovable implica reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y contar con una matriz energética diversificada. Invertir en sistemas fotovoltaicos es una inversión a futuro; se podría decir que se está comprando energía del futuro a precios actuales, invirtiendo en capacidad y asegurando la producción energética para los próximos años. De manera aproximada se puede estimar que por cada kilowatt fotovoltaico instalado, se estará eliminando una tonelada de CO2 equivalente al año.
¿Por qué apoyar la generación distribuida?
La generación distribuida se define como la generación eléctrica conectada en el nivel de distribución de la red principal y usualmente se localiza en el sitio de uso o sus inmediaciones. La generación distribuida, particularmente la fotovoltaica, presenta beneficios asociados al sitio del proyecto, se evitan costos en transmisión y distribución, se reducen las pérdidas en estos conceptos, dado que la generación está en el sitio de consumo y hay un bajo impacto ambiental por el uso de espacios urbanos.
Si se piensa en una planta centralizada de varias decenas de megawatts, muy probablemente se tendrían que utilizar suelos que podrían tener otra utilidad, no así en el caso de la generación distribuida.
- Beneficios asociados a la generación distribuida renovable
- Reducción del consumo de combustibles fósiles
- Se desplaza la capacidad de otras fuentes de generación
- Mayor cumplimiento en las restricciones ambientales locales
- Reducción de la degradación del medioambiente
Una granja solar urbana es generación distribuida con medición neta. En estudios realizados a compañías eléctricas estadunidenses, se ha encontrado que la incorporación del mecanismo de medición neta puede aportar mayores ahorros que costos, máxime si la aplicación es en zonas de distribución congestionadas.
Factor de planta
En general, los sistemas se establecen con una capacidad nominal de acuerdo con una cantidad de radiación solar. Un término importante es lo que se conoce como factor de planta, que es la producción de energía en CA lograda respecto de la producción nominal en CD en un año.
El factor de planta tiene diversas acepciones. La más generalizada por convención internacional y usada en México se define en términos de CD. Otra posibilidad es cuantificar el factor de planta en términos de corriente alterna.
En términos de corriente directa, se trata de la convención internacional, aunque Estados Unidos la utiliza de manera común en términos de CA por cuestiones de practicidad en la comparación de tecnologías.
El factor de planta expresado en CA es ligeramente mayor que el de CD. En ocasiones, se presentan factores de planta muy altos, porque se refieren a sistemas con tecnología de seguimiento, dando un factor de planta distinto al que arrojarían los módulos fijos.
De cualquier manera, debe reconocerse que en México existe un abundante recurso solar. Muchas ciudades poseen factores de planta cercanos e incluso superiores al 20 por ciento.
Potencial económico y de mercado
Las granjas solares urbanas representan una nueva ventana de oportunidad de mercado, con gran potencial de beneficios que se extiende al usuario, al desarrollador inmobiliario, al proveedor fotovoltaico y al contratista eléctrico, entre otros. Su ventaja principal es la de reducir la inversión del usuario y hacer factible el acceso al recurso solar.
Es importante considerar que existen dos grandes campos de aplicación para las granjas solares urbanas en conjuntos habitacionales. El primero se enfoca en los desarrollos nuevos, que se tendrían que ligar con un tipo de usuario determinado. No todos los usuarios son candidatos a una granja solar con ventaja económica. Se debe hacer una discriminación y una selección, que en este caso serían usuarios primordialmente de consumo intermedio a alto.
También se podría pensar en conjuntos habitacionales existentes, dependiendo del estado en el que se conserve el conjunto habitacional y de la voluntad de los residentes para incorporar este tipo de sistemas. Al igual que en la aplicación anterior, se seleccionarían usuarios eléctricos de consumo intermedio a alto.
El efecto que tiene el autoabastecimiento eléctrico para beneficiar al usuario es darle la oportunidad de tener un salto en su facturación de alto consumo hacia tarifas inferiores. En México, existen alrededor de 500 mil usuarios de alto consumo, de los cuales muchos residen en conjuntos habitacionales viables para una granja solar.
Al hablar del potencial de estos sistemas, se deben contemplar las aplicaciones y los proyectos posibles, así como los elementos técnicos requeridos, la radiación solar obtenida y hacer la conciliación sobre los espacios disponibles, una introspección del consumo que tendrían los usuarios y contemplar que se presentarán restricciones económicas en la oferta de los componentes del sistema.
Por otra parte, se debe revisar cuál es el mercado de la tecnología disponible, en qué condiciones se instalará, de qué manera se integrará arquitectónicamente y qué normativa existe. En cuestión de aplicaciones, los sistemas fotovoltaicos involucran la producción eléctrica y un elemento multifuncional de construcción. Las aplicaciones de estos sistemas en el ámbito arquitectónico deben evaluarse individualmente con base en factores de construcción, tecnológicos, económicos, climáticos, ambientales y sociales.
Si se intenta desarrollar una fuente individual en un ámbito social con altos índices de vandalismo, pueden presentarse complicaciones. La fuente colectiva tiene el beneficio de que queda más protegida de un entorno negativo que pudiera impactar en su integridad y funcionalidad.
Las aplicaciones de sistemas fotovoltaicos en edificios constituyen un nicho de mercado con alto potencial, que la industria de la construcción debe considerar con una visión estratégica. Por ello, es necesario que se empiecen a gestar proyectos piloto en México. Asimismo, es importante recomendar que se establezcan alianzas entre los actores involucrados, usuarios, administradores, desarrolladores de vivienda, empresas integradoras, contratistas, CFE, bancos, organismos de financiamiento, inversionistas, la CRE y el gobierno en sus tres niveles, ya que los proyectos deben desarrollarse de manera conjunta. De acuerdo con el arquitecto británico Norman Foster: “la arquitectura solar no es una cuestión de moda, sino de supervivencia”.
Artículo adaptado de la conferencia sobre granjas solares urbanas impartida por el doctor Humberto Rubén Becerra López, en el II Seminario 2015 CFE-ACEN, con sede en el centro de convenciones CINTERMEX. El doctor Becerra es ingeniero Mecánico Electricista por la UNAM. Cuenta con estudios de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica y de Doctorado en Ciencias Ambientales por la Universidad de Texas, en El Paso. Actualmente, colabora como investigador en el área solar fotovoltaica en la Gerencia de Energías Renovables del Instituto de Investigaciones Eléctricas.
