A menudo, potenciales clientes interesados en instalar paneles fotovoltaicos en sus viviendas o negocios me solicitan presupuestar una instalación que les permita desconectarse de la red eléctrica para no tener que pagar nunca más una factura de luz.
Si bien es técnicamente viable llevar a cabo una instalación así, actualmente no es una solución rentable ni siquiera a muy largo plazo. En el caso de que se sufran continuos corte de suministro, o sea necesario asegurarlo en todo momento (e.g. hospitales), existen otras soluciones intermedias mucho más adecuadas que prescindir de la red de suministro.
En esta entrada se analizarán las posibles configuraciones de una instalación de autoconsumo aislada de la red, cómo se realiza su dimensionamiento y su rentabilidad según la situación del usuario, así como otras opciones menos radicales.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
- Posibles configuraciones
- Dimensionamiento básico
- Rentabilidad con acceso a la red eléctrica
- Rentabilidad con grupo electrógeno
- Instalaciones asistidas
POSIBLES CONFIGURACIONES
Las instalaciones aisladas pueden tener tres configuraciones básicas, las cuales cabe destacar que no son necesariamente excluyentes entre sí y que dependen básicamente de como se acoplan las baterías al sistema:
-) Mediante un inversor híbrido o multifunción: son equipos que tienen dos tipos de entradas en corriente continua, una para baterías y otra para los paneles. Este sistema limita las posibles configuraciones y los equipos que lo usan suelen tener una calidad y robustez muy pobres.
Por ello su utilización solo se recomienda en emplazamientos de estancia puntual o muy breve, un ejemplo conocido de estos equipos son los inversores de la marca Voltronic, también comercializados bajo las marcas Huber, MPP Solar y Easun Power.
-) Mediante un regulador de carga solar (e.g. Victron): el regulador viene equipado con seguidores MPPT y gestiona además la carga de la batería, la cual se acopla al inversor, cuya única función será la conversión de corriente continua a alterna.
Esta solución aporta gran flexibilidad, permitiendo, por ejemplo, acoplar un campo fotovoltaico de gran tamaño a un inversor con baja potencia de salida o viceversa. En definitiva, se facilita el diseño de instalaciones más acordes a las necesidades del cliente.
-) Mediante un inversor-cargador (e.g. SMA): en estos casos se conecta la batería a través de un inversor-cargador en el bus de corriente alterna del inversor convencional al que vayan conectados los paneles fotovoltaicos.
Esta solución es muy utilizada en instalaciones de gran tamaño (> 10 [kWp]), su mayor ventaja es que puede utilizarse incluso con equipos de diferentes marcas (e.g. Fronius / Victron, Enphase / Tesla), evitando así limitaciones de compatibilidad.
Las tres condiciones a cumplir son que todos los inversores fotovoltaicos posean la opción de alteración de la potencia por desplazamiento de la frecuencia (frequency shifting), que los inversores-cargadores puedan alterar la frecuencia del sistema para regular su potencia y que la potencia total de los inversores-cargadores sea igual o superior a la potencia total de los inversores fotovoltaicos (1:1 limit rule).
Destacar que esta opción también es menos eficiente y flexible, pero el cableado es mucho más sencillo, ya que los inversores fotovoltaicos admiten muchos más paneles conectados en serie que los reguladores de carga, disminuyendo así el número de ramas en gran medida
DIMENSIONAMIENTO BÁSICO
Una instalación fotovoltaica aislada debe ser capaz de cubrir el 100% de la energía demandada durante todo el año, para ello el campo fotovoltaico se suele dimensionar mediante el método del mes peor.
Este método consiste en calcular la radiación solar incidente en el emplazamiento, a la orientación e inclinación a la que se vayan a situar los paneles, y los consumos medios diarios de cada mes del año, para después compararlos con el fin de averiguar el mes con un peor ratio de radiación / consumo, denominado mes peor, que suele ser septiembre o diciembre.
Ri ≡ Radiación solar incidente ≡ [HSP]
Ci ≡ Consumo de electricidad del edificio ≡ [kWh / (día x m2)]
Ki ≡ Ratio comparativo mensual del método del mes peor = Ri / Ci
| Enero | Febrero | Marzo | …. | Octubre | Noviembre | Diciembre |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R1 | R2 | R3 | …. | R10 | R11 | R12 |
| C1 | C2 | C3 | …. | C10 | C11 | C12 |
| K1 | K2 | K3 | …. | K10 | K11 | K12 |
El campo fotovoltaico deberá dimensionarse para producir tanta energía como la demandada en un día medio del mes peor, más un aumento del 15-25% si se desea tener en cuenta la pérdida de rendimiento de los paneles durante los 25 años de vida útil.
Por otro lado, las baterías deberán tener una capacidad útil suficiente como para cubrir durante un mínimo de tres días la demanda del emplazamiento en otoño-invierno y de dos días en primavera-verano, en este caso se tomarán los datos del mes que vaya a requerir más autonomía, es decir, el que tenga un consumo por días de reserva más elevado.
Destacar que de la capacidad bruta total indicada en la hoja de datos de la batería solo se considerará la útil disponible, es decir, se deberán tener en cuenta la profundidad de descarga máxima que admite la batería y las pérdidas de energía producidas en el proceso de carga-descarga, que se calculan con el rendimiento de ida-vuelta del sistema de acumulación empleado (round trip efficiency).
Del mismo modo que los paneles, sería conveniente tener un cierto margen para tener en cuenta su degradación, que también se considerará del 15-25% para la mayoría de baterías de ión-litio del mercado.
Estas son las más instaladas actualmente por sus buenas prestaciones, elevada vida útil y nulos costes de mantenimiento, lo que les ha permitido dejar relegar a un segundo plano a las baterías de plomo-ácido predominantes hasta hace pocos años en el sector del autoconsumo fotovoltaico:
| PARÁMETROS | IÓN-LITIO | PLOMO ÁCIDO |
|---|---|---|
| Profundidad de descarga | 80-100% | 40-60% |
| Vida útil | > 4500-6000 ciclos | < 3000 ciclos |
| Garantía de producto | > 10 años | < 3 años |
El inversor de corriente elegido limitará la potencia máxima que se puede demandar del sistema, del mismo modo que ocurre con la potencia contratada con la comercializadora de electricidad que nos suministra.
Se deberá tener en cuenta que la potencia máxima de estos equipos baja a medida que aumenta la temperatura ambiente, por lo que es conveniente aplicar un incremento del 15-25% al igual que en el caso de las baterías y paneles. De este modo además el equipo sufrirá menos y será menos propenso a sufrir averías.
En el caso de instalaciones trifásicas es necesario conectar tres inversores en paralelo, ya que actualmente no hay inversores trifásicos de aislada en el mercado, aunque también existe la opción de usar un a transformador para las máquinas y equipos que requieran dicha alimentación.
RENTABILIDAD CON ACCESO A LA RED ELÉCTRICA
El problema de este tipo de instalaciones es su elevado coste, el cual no solo se debe al actual alto precio de las baterías, sino sobre todo a la necesidad de sobredimensionar la instalación para asegurar en todo momento el suministro, lo que provoca que durante buena parte del año sobre mucha energía a la que no se le obtiene rentabilidad alguna.
Por ejemplo, un hogar medio español demanda unos 10 [kWh/día] y requiere una potencia contratada de 4 [kW], lo cual supone un gasto al año de unos 750 [€], que sería el potencial ahorro logrado en el caso de aislarse de la red eléctrica, es decir, 18750 [€] tras 25 años sin considerar las variaciones en el precio de la luz.
Una instalación ejecutada con equipos de primeras marcas que pudiese cubrir estas necesidades, y diseñada con los criterios indicados en el apartado anterior, tendría las siguientes características:
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Potencia pico en paneles | 4-5 [kWp] |
| Potencia nominal del inversor | 6-8 [kVA] |
| Capacidad bruta en baterías (ión-litio) | 25-30 [kWh] |
| Precio total del proyecto llave en mano (IVA inc.) | ~ 25.000 [€] |
| Marcas: Victron / SMA, Jinko Solar / LONGi, BYD / Pylontech, K2 Systems / Würth. |
Como se puede observar, el precio de la instalación es superior a los ahorros obtenidos durante su vida útil, por lo que no sería una inversión rentable frente a la opción de mantener el suministro. Sin embargo, esto cambia si la vivienda o negocio no disponen de acceso a la red eléctrica y utilizan un grupo electrógeno de gasolina o diésel.
RENTABILIDAD CON GRUPO ELECTRÓGENO
Generar electricidad a partir de diésel o gasolina es la posiblemente la opción más costosa debido al alto precio de los combustibles y a la baja eficiencia de los generadores, que en condiciones reales de funcionamiento se sitúa por debajo del 30%.
Sin embargo, aún es una tecnología muy utilizada en zonas sin acceso a la red eléctrica de suministro (e.g. granjas), ya que el coste inicial de su instalación es muy bajo comparado con otras opciones a pesar de sus elevados costes operativos.
| Poder calorífico del diésel | ~ 10 [kWh/litro] |
| Precio del diésel | ~ 0,75 [€/litro] |
| Rendimiento del grupo electrógeno | ~ 20% (viviendas) |
| Coste de la electricidad generada | 0,75 / (0,2 x 10) = 0,375 [€/kWh] |
Al precio de la energía hay que añadir unos costes de mantenimiento de 50-100 [€/año] y la necesidad de cambiar el grupo electrógeno cada 5 años aproximadamente, ya que estos equipos tienen una vida útil media de 10000 a 50000 horas de uso continuado, lo cual supone un coste de 1500 [€] por recambio.
Todo esto implica que un hogar medio gastaría unos 43.000-50.000 [€] durante 25 [años] si generase su electricidad usando un generador diésel. Por lo que con la instalación fotovoltaica propuesta se habrían obtenido unos ahorros de 18.000-25.000 [€] tras 25 años y recuperado la inversión realizada en 12-15 años.
INSTALACIONES ASISTIDAS
Una opción intermedia es diseñar una instalación fotovoltaica asistida, que cuente con el apoyo puntual de un grupo electrógeno o de la propia red eléctrica para los días nublados o cuando se produzcan picos de consumo por encima de la media.
Dado que las baterías suponen aproximadamente un 60% del presupuesto de la instalación propuesta anteriormente, el coste de la misma se reduciría hasta el rango de los 16.000 – 17.000 [€] si se redujese la autonomía exigida a 1 día por disponer de una fuente auxiliar.
Esta opción es la más rentable si se desea prescindir de la red eléctrica o del grupo electrógeno en la medida de lo posible, sin embargo, se recomienda en cualquier caso recurrir a baterías de ión-litio modulables que permitan ampliar la autonomía de la instalación si fuera necesario.
No obstante, cabe remarcar que la mejor forma de ahorrar con la instalación de paneles fotovoltaicos a día de hoy es el autoconsumo con conexión a red y sin baterías, cuya rentabilidad y costes ya se analizaron en anteriores entradas.