Uso de energía solar Fotovoltaica como propuesta para reducir el consumo eléctrico de un Data Center PROYECTO TERMINAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN TECNOLOGÍA AMBIENTAL PR E S E N T A : Dyo Nekheb García Morton Asesor Interno: Sandra María Armida Macías Luevano Asesor Externo: Nicolás Pizarro Ramírez
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Contenido 1. Resumen ....................................................................................................................... 4 2. Introducción ................................................................................................................... 4 2.1 Delimitación y alcance del proyecto ......................................................................... 5 2.1.1 Ubicación del edificio SISEI............................................................................... 5 2.2 Diagnóstico .............................................................................................................. 6 2.3 Planteamiento del problema..................................................................................... 6 3. Marco teórico ................................................................................................................. 7 3.1 Data center .............................................................................................................. 7 3.1.1 Infraestructura y subsistemas de los data center............................................... 7 3.2 Energía solar............................................................................................................ 8 Potencial solar en Chile.............................................................................................. 8 Energía solar fotovoltaica........................................................................................... 9 3.3 Sistema fotovoltaico ................................................................................................. 9 3.4 Elementos de una instalación solar fotovoltaica ..................................................... 11 Celda o célula solar.................................................................................................. 11 Panel solar ............................................................................................................... 12 Regulador ................................................................................................................ 14 Acumuladores de energía ........................................................................................ 14 Inversores ................................................................................................................ 14 3.5 Arreglo eléctrico fotovoltaico .................................................................................. 14 3.6 Eficiencia energética .............................................................................................. 16 3.7 Normatividad.......................................................................................................... 17 Ley 20571 ................................................................................................................ 17 4. Justificación ................................................................................................................. 18 5. Objetivos y metas ........................................................................................................ 19 Objetivo general........................................................................................................... 19 Objetivos específicos ................................................................................................... 19 Meta............................................................................................................................. 19 6. Metodología ................................................................................................................. 19 6.1 Cronograma del proyecto....................................................................................... 20 6.2 Diagrama o esquema de trabajo ............................................................................ 21 6.3 Actores involucrados.............................................................................................. 22 6.4 Recursos................................................................................................................ 22 Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 6.5 Diagrama de Pert y ruta crítica de la implementación del proyecto ........................ 23 6.6 Caracterización del recurso solar ........................................................................... 25 6.7 Determinación del consumo de energía del data center......................................... 25 6.8 Diagnóstico de infraestructura................................................................................ 25 Superficie disponible en el techo.............................................................................. 26 6.9 Dimensionamiento del sistema .............................................................................. 26 Tipo de paneles o módulos ...................................................................................... 26 Inclinación y orientación de paneles......................................................................... 27 Distancia entre paneles............................................................................................ 27 Cálculo del número de paneles fotovoltaicos ........................................................... 29 Definición del tamaño del inversor y el calibre de los conductores ........................... 29 Configuración del arreglo fotovoltaico ...................................................................... 30 7. Resultados................................................................................................................... 30 7.1 Objetivo 1. Caracterizar el recurso energético en el lugar donde se implementará el proyecto....................................................................................................................... 30 Energía solar disponible........................................................................................... 30 Sombras topográficas .............................................................................................. 31 7.2 Objetivo 2. Consumo energético del data center.................................................... 32 Costos de la energía ................................................................................................ 32 7.3 Objetivo 3. Diseño del Sistema Fotovoltaico .......................................................... 33 Parámetros de la instalación fotovoltaica ................................................................. 33 Tamaño del inversor y calibre de conductores ......................................................... 33 Arreglo Fotovoltaico ................................................................................................. 34 7.4 ¿Cuánta energía eléctrica entrega nuestra instalación fotovoltaica?...................... 35 8. Viabilidad y factibilidad económica, ambiental, social y tecnológica del proyecto......... 35 8.1 Manifiesto de Impacto Ambiental (MIA).................................................................. 35 8.2 Beneficios técnicos, legales ambientales, sociales y económicos del proyecto ambiental ..................................................................................................................... 36 8.3 Presupuesto del proyecto....................................................................................... 37 Análisis Costo/Beneficio........................................................................................... 37 9. Análisis de resultados .................................................................................................. 38 10. Conclusiones ............................................................................................................. 39 11. Trabajo futuro ............................................................................................................ 40 14. Referencias Bibliográficas.......................................................................................... 41 13. Anexos....................................................................................................................... 47 Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Anexo 6.7 Consumo energético del data center........................................................... 47 Anexo 7.1 Recurso energético ..................................................................................... 47 Anexo 7.2 Consumo energético del data center........................................................... 49 Anexo 7.3 Arreglo fotovoltaico ..................................................................................... 50 Anexo 7.4 Energía generada por el sistema ................................................................ 52 Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 1. Resumen El papel que juega el suministro de energía eléctrica en el funcionamiento de un data center es un tema que podría convertirse en un problema crítico, pues es sabido que la demanda de energía de dichos lugares es considerablemente alta, lo que se traduce en consumo de recursos que generan emisiones de carbono y por lo tanto contribuyen a problemas ambientales mayores, específicamente al cambio climático. En esta investigación se propuso la implementación de un sistema fotovoltaico con el fin de potenciar el uso de tecnologías limpias, optimizar recursos y reducir costos en la data center de una Universidad. Se encontró que el lugar donde se pretendía implementar el proyecto era un sitio óptimo en cuanto al aprovechamiento de energía solar, ya que Chile cuenta con un potencial abundante debido a sus condiciones geográficas; sin embargo, no fue ideal para lograr el ahorro de energía deseado en el data center, pues el espacio es limitado. Además, se contempló que la instalación fuera un sistema On Grid o conectado a la red eléctrica, que eventualmente generase un excedente de energía que pudiera significar un ahorro en el consumo mediante la Ley de Generación Distribuida o Net Billing. Palabras clave: Data center, sistema fotovoltaico, sistema On Grid 2. Introducción Los centros de procesamiento de datos, conocidos en inglés como data center, son aquellos espacios físicos donde se aloja y opera toda la infraestructura necesaria para el almacenamiento, procesamiento y difusión de datos en una empresa u organización. Normalmente, estas instalaciones albergan equipos como servidores, routers, switches, firewalls o cortafuegos, y de almacenamiento (NAS), además de elementos de apoyo como equipos de respaldo de energía, anti incendios y aires acondicionados. Siendo la energía eléctrica la principal entrada en las operaciones diarias de un data center, podemos inferir que, hacen falta grandes cantidades de energía para satisfacer las demandas de información de los usuarios; por lo tanto, el impacto ambiental depende mucho del origen de la electricidad para consumo. La digitalización de nuestra economía y sociedad han incrementado considerablemente la cantidad de información que es procesada y almacenada en los centros de datos. Algunos estudios señalan que este crecimiento va de la mano con el incremento en el consumo de energía de los data center, el cual representa un 1% de consumo de electricidad a nivel global. Ya que sabemos que la mayor parte de la electricidad para dichos lugares proviene de combustibles fósiles, se traduce en altas emisiones de carbono que contribuyen al cambio climático. Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Como la demanda de productos y servicios amigables con el medio ambiente también ha ido en aumento, varias organizaciones han presentado ya proyectos para construir centros de datos ‘verdes’, es decir, centros de datos que funcionan parcial o totalmente con energías renovables como la solar o eólica, lo que, además de contribuir con la reducción de la huella de carbono, disminuye los costos de consumo de las instalaciones. Como ejemplo de esto podemos mencionar grandes compañías como Google, Apple, Intel (Nuevo México) o McGraw-Hill, quienes han invertido en la construcción de paneles solares para sus centros de datos; y Green House Data, compañía que opera exclusivamente con energías renovables. Con todo lo anterior, la energía fotovoltaica puede tomar un papel principal en el funcionamiento de un data center, ya que representa una opción tecnológica viable para optimizar recursos y reducir sus costos operativos. 2.1 Delimitación y alcance del proyecto La presente investigación se aplicará al Departamento de Sistemas y Servicios de Informática (SISEI) de la Universidad Tecnológica Metropolitana. A pesar de que ya se han tomado algunas medidas para optimizar los recursos energéticos de dicho departamento, por ejemplo, en el cambio a iluminación LED y aires acondicionados tipo inverter, en el data center aún se tienen altos consumos de energía. Por lo tanto, la propuesta analizará la posibilidad de suministro de consumo eléctrico mediante instalaciones fotovoltaicas, que incluirá a toda la infraestructura del data center. 2.1.1 Ubicación del edificio SISEI La imagen a continuación (Figura 1.1) muestra el edificio donde se pretende realizar el proyecto. Se obtuvo usando Google Maps. A su vez, se muestra enmarcado en un polígono el área del techo del edificio que puede ser usado para la instalación, en total 120 ݉ଶ. Figura 10.1 Vista satelital del data center Nota. Adaptado de Google Maps [Imagen satelital] Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 2.2 Diagnóstico En el Departamento SISEI de la Universidad Tecnológica Metropolitana se encuentra el data center que será objeto de estudio para el proyecto, el cual tiene un consumo diario de 38 amp a 220 V por fase, energizado a través del suministro eléctrico de la compañía Enel. Actualmente las medidas de reducción en el consumo se limitan solamente al cambio a iluminación LED en el departamento; respecto al data center, se han implementado mejoras energéticas solamente en los equipos de refrigeración al cambiarlos por tipo inverter, sin embargo, no se han considerado otras medidas de eficiencia. Los equipos que lo componen son: switches, routers, storage o de almacenamiento de datos (NAS), servidores, un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS por sus siglas en inglés), equipos de refrigeración y equipos de refrigeración portátiles para emergencias, grupo electrógeno (a combustión interna, diésel) y 6 estantes o gabinetes (racks) de 42U, utilizados para almacenar los servidores, los equipos de almacenamiento y los de comunicación. El grupo electrógeno es el respaldo de emergencia que abastece al departamento en su totalidad, es decir, si existe corte en el suministro principal, éste entra en operación para restablecer su funcionalidad, incluyendo el data center. La finalidad del sistema de alimentación ininterrumpida es solamente respaldar la energía de los equipos de cómputo del edificio y equipos del data center mientras entra en marcha el generador electrógeno. El proyecto surge de la necesidad de contar con energía eléctrica limpia a través del diseño de un sistema fotovoltaico de conexión a la red, priorizando reducir la facturación y el uso sostenible en el consumo de la demanda de energía del data center. 2.3 Planteamiento del problema Se tiene un gran margen de mejora al no haberse solucionado el tema de los altos costos económicos por el consumo eléctrico del lugar, y se presenta una necesidad de ser abordado el tema de eficiencia energética y uso de energías limpias como fuente de distribución del data center. El edifico se localiza en el centro de Santiago, es decir, en un núcleo urbano que se considera denso, por lo que hay que evaluar la disponibilidad de espacio para desplegar la tecnología propuesta sin alterar infraestructuras y/o medio ambiente; por ejemplo, llevarse a cabo en el techo del edificio. En cuanto a las condiciones de soleamiento, Chile cuenta con un gran potencial de energía solar, por las características climáticas y relieve presentes en la mayor parte de la región norte del país, lo cual, a pesar de las limitaciones de espacio, puede favorecer la implementación de tecnología fotovoltaica. Tomando en cuenta estas condiciones, la propuesta plantea lo siguiente: ¿Es factible integrar al sistema eléctrico convencional el sistema fotovoltaico de energía solar para reducir la facturación de consumo? Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 3. Marco teórico 3.1 Data center Un centro de datos es un entorno físico destinado a albergar sistemas informáticos y sus componentes asociados. Los centros de datos comprenden los sistemas informáticos antes mencionados y el personal que los mantiene. La instalación necesaria incluye fuentes de alimentación con la posibilidad de garantizar energía de respaldo, equipo de comunicación necesario y sistemas de cableado de comunicación redundantes, aire acondicionado, extinción de incendios y dispositivos de seguridad física para las entradas del personal. (Balodis & Opmane, 2017, p. 179) Los data center usualmente son diseñados para tareas específicas, con el objetivo de tener disponibilidad y acceso a la información necesaria para las operaciones de una empresa, instituciones educativas, laboratorios, para alojar sitios de internet de clientes, entre otros. “El concepto de estos centros de datos surge de que las grandes instituciones no podrían permitirse perder información ni detener operaciones ante cualquier eventualidad. Es decir, quizá desastres como incendios, terremotos, atentados o incidentes de esta naturaleza sean poco frecuentes, pero no improbables” (Galván, 2013). 3.1.1 Infraestructura y subsistemas de los data center El diseño de los data center está basado en ciertos estándares o normas que definen los parámetros de infraestructura, construcción, etc. Las instituciones encargadas de crear estos estándares por lo general coinciden en la identificación de los subsistemas que componen los data center, los cuales están también delimitados por las funciones que cumplen dentro del lugar con el fin de obtener el mayor rendimiento. Un ejemplo de ello es el estándar ANSI/TIA/942, el cual subdivide en cuatro los sistemas de infraestructura física de los data center: o Telecomunicaciones o Arquitectónico o Eléctrico o Mecánico Subsistema de telecomunicaciones Aquel donde se ubican todas las áreas funcionales, los equipos y cableado estructurado necesario para las comunicaciones locales y externas, tales como routers, switches, servidores. Además, comprende los equipos necesarios para monitoreo, acceso y seguridad del lugar como equipos biométricos y cámaras de seguridad. Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Subsistema arquitectónico o de infraestructura Aquí se establecen varios parámetros para utilizar los espacios del data center de forma adecuada y óptima. Algunas de las consideraciones a tomar en cuenta son: el tipo de construcción, sistemas de control de acceso, sala de generador y UPS, techos y pisos, etc. Este subsistema contiene dentro de sí los otros subsistemas, esto es porque se aseguran los equipos para que nadie que no esté autorizado pueda reemplazarlos, modificarlos o dañarlos, es decir, este subsistema representa la primera línea de defensa de los equipos de red. Subsistema eléctrico Como su nombre lo indica, este subsistema comprende el sistema de energía del lugar, el que alimenta todos los equipos del data center. También forman parte la red de distribución, mecanismos de protección, distribución de cargas eléctricas, fuentes de energía alternas, mecanismos de protección para AC y DC. Subsistema mecánico o de aire acondicionado Este subsistema está relacionado con la parte funcional del data center, pues el ambiente interno deber ser controlado ya que los equipos generan calor; por eso sus objetivos principales son el velar por los sistemas de temperatura o climatización, control de presión, sistemas de detección de incendios, detecciones de líquidos, y condensadores, etc. 3.2 Energía solar La Energía solar, es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el sol. La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce, como también a través de la absorción de la radiación, por ejemplo, en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde. (Barberá, 2011, p.1) Es posible transformar la energía solar directamente en energía eléctrica a través de sistemas fotovoltaicos, indirectamente por medio de la concentración solar de potencia y también puede ser utilizada para calentar agua en colectores solares. Potencial solar en Chile Para aprovechar de manera óptima la energía solar, es importante conocer la cantidad de radiación solar del lugar donde se llevará el proyecto. Chile es uno de los países con mayor radiación solar en el mundo, esto es debido a que el llamado Cinturón del Sol cubre la mitad del país; algo que también otorga gran disponibilidad es el hecho de que cuenta con una gran superficie desértica. Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Según datos publicados por el Ministerio de Energía (2014) en Chile el potencial solar disponible para el caso de paneles fotovoltaicos es de 1,640,128 MW y de 552.871 MW la concentración solar para generación eléctrica o solar termoeléctrica. Energía solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica se basa en el principio de que la energía contenida en las partículas de luz (los fotones) puede ser convertida en electricidad. Esto se logra a través del denominado proceso de conversión fotovoltaica. A grandes rasgos lo que ocurre es que, mediante la utilización de un dispositivo especialmente diseñado a tal efecto, se obtiene electricidad gracias al efecto fotoeléctrico de la luz solar. Generalmente estos dispositivos consisten en una lámina metálica semiconductora que recibe el nombre de célula fotovoltaica. Como resultado de este proceso de conversión fotovoltaica, se obtiene energía a bajas tensiones y en corriente continua. Posteriormente se utiliza un inversor para ser transformarlo en corriente alterna. Los aparatos donde se encuentran estas células fotovoltaicas se denominan paneles solares, que pueden ser usados para uso personal y/o familiar. (Ayllu Solar, 2018, p.4) 3.3 Sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico es el conjunto de equipos eléctricos y electrónicos que producen energía eléctrica a partir de la radiación solar. El principal componente de este sistema es el módulo fotovoltaico, a su vez compuesto por células capaces de transformar la energía luminosa incidente en energía eléctrica de corriente continua. El resto de equipos incluidos en un sistema fotovoltaico depende en gran medida de la aplicación a la que está destinado. (Perpiñán, 2020, p. 1) Una instalación fotovoltaica puede clasificarse en: Instalaciones autónomas o aisladas de la red eléctrica (off grid). Satisfacen una demanda energética determinada, por lo que prácticamente todos estos sistemas deben incluir un equipo de acumulación de energía, es decir, baterías. Estos sistemas son comúnmente utilizados en zonas rurales o alejadas de la red eléctrica Aplicaciones: o Telecomunicaciones o Electrificación rural o Refrigeración de medicinas o suministros médicos que la requieran o Agricultura y ganadería (Ej. Para bombeo de agua) o Alumbrado autónomo (Ej. Iluminación de viales, señalizaciones) o Instrumentación y telemetría Instalaciones conectadas a la red eléctrica (grid connected). Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Producen energía para ser conectada a la red eléctrica convencional, por lo que no necesitan la incorporación de equipos de acumulación de energía. Por otro lado, se requiere un equipo inversor, el cual adecúa la potencia producida por el generador fotovoltaico a las condiciones de la red. Aplicaciones: o Centrales fotoeléctricas o Integración de edificios Figura 3.1 Sistema off grid Nota. Tomado de http://srenergy.co.in/product/ Figura 3.2. Sistema on grid ó grid connected Nota. Tomado de https://solareze.com.au/solar-power-systems-grid-hybrid-standalone/ Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 3.4 Elementos de una instalación solar fotovoltaica Celda o célula solar Representa el elemento principal de cualquier instalación de energía solar. Básicamente es un generador que se caracteriza por convertir directamente en electricidad los fotones provenientes de la luz del sol. Su funcionamiento se basa en el efecto fotovoltaico. Figura 3.3. Estructura de la celda solar Nota. Adaptado de Estructura de la celda solar [imagen], por McGrawHill Education (https://www.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf) Figura 3.4. Efecto fotovoltaico Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Nota. Se ilustra el efecto fotovoltaico, donde los fotones fluyen entre los materiales semiconductores tipo n y p, que al juntarlos crean la unión p-n y forman un campo eléctrico en la zona de la unión a medida que los electrones se mueven hacia el lado p positivo y los huecos se mueven hacia el lado n negativo. Tomado de A diagram showing the photovoltaic effect [imagen], Energy Education (https://energyeducation.ca/encyclopedia/Photovoltaic_cell#cite_note-4 ) Panel solar Un panel solar está conformado por un conjunto de celdas o células solares interconectadas entre sí y que están encapsuladas entre materiales que las protegen de la intemperie. Proporciona en su salida de conexión una tensión continua, y se diseñan para valores concretos de tensión (6V, 12 V, 24 V…), que definirán la tensión a la que trabajará el sistema fotovoltaico. Figura 3.5 Partes de un panel solar Nota. Adaptado de Partes de un panel solar [imagen], por Tesla Energy (https://teslaenergy.cl/paneles-solares-lo-que-necesita-saber-y-mas/ ) Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Tipos de paneles solares o fotovoltaicos Las celdas fotovoltaicas se pueden fabricar de diversas formas y con muchos materiales diferentes. El material más común para la construcción de celdas solares comerciales es el silicio (Si), pero otros incluyen arseniuro de galio (GaAs), telururo de cadmio (CdTe) y selenuro de cobre, indio, galio (CIGS). Se pueden encontrar 3 tipos de paneles solares: o Monocristalino. Se componen de una superficie cristalina uniforme de silicio. o Policristalino. Se componen por la unión de silicio con diferentes estructuras cristalinas. o Capa fina (flexible). No poseen estructura cristalina. Son más económicos. Transparentes y flexibles. Figura 3.6 Tipos de paneles fotovoltaicos Nota. Adaptado de Tipos de paneles fotovoltaicos [imagen], Tritec Intervento (https://tritec- intervento.cl/tipos-de-paneles-fotovoltaicos/) Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Regulador Es un convertidor de potencia que gestiona la energía producida por los paneles fotovoltaicos. Tiene como función evitar situaciones de sobrecarga y sobre descarga de la batería, lo cual favorece asimismo la prolongación de su vida útil. Se instalan entre los paneles y las baterías. o Bloquean la corriente inversa o Aseguran el llenado óptimo de las baterías o Previenen de sobrecargas a las baterías. Acumuladores de energía Debido a distintas variaciones como la duración de la noche, las estaciones del año, etc., la llegada de energía a los paneles solares no se produce de manera uniforme; existen asimismo otras causas que podrían producir alteraciones aleatorias en la energía recibida, como un aumento de la nubosidad en un determinado instante. Lo anterior hace necesario utilizar algún sistema de almacenamiento de energía para aquellos momentos donde la energía solar recibida sobre el generador no sea suficiente para hacer funcionar la instalación de acuerdo a sus valores de diseño. Por eso se utilizan baterías o acumuladores. Las baterías son recargadas desde la electricidad producida por los paneles, a través del regulador de carga, y entregan su energía a la salida de la instalación, para ser consumida. o Almacenan energía durante un determinado período de tiempo o Proporcionan una potencia instantánea elevada o Fijan la tensión de trabajo de la instalación. Inversores Estos equipos convierten la corriente continua que proporcionan los paneles solares en corriente alterna (DC→AC). En instalaciones de conexión a la red eléctrica (grid tie), adaptan la carga a la máxima potencia disponible en el generador fotovoltaico, la cual varía con la irradiancia incidente y con la temperatura de las celdas. Ambas acciones se realizan en tiempo real, y además el inversor realiza servicios de supervisión, alarma de aislamiento, medidas de potencia, y en un futro próximo la detección de módulos en estado de mal funcionamiento. 3.5 Arreglo eléctrico fotovoltaico “Un arreglo eléctrico fotovoltaico es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en serie o paralelo. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y en paralelo” (Martínez, 2006, p.73) Conexión en serie de un sistema fotovoltaico En un circuito en serie el polo positivo de un panel está conectado al polo negativo del otro panel formando una cadena o lo que se denomina string en la industria. El voltaje total es la suma de todas las fuentes de voltaje, y la intensidad de corriente permanece constante. ܸ ்ܸ ݈ܽݐݐ ݆݁ܽݐ݈ൌ ܸଵ ܸଶ ܸଷ … . ൌ ܸ ݀ܿ ்ܫ ݈ܽݐݐ ݀ܽ݀݅ݏ݊݁ݐ݊ܫൌ ܫଵ ൌ ܫଶ ൌ ܫଷ … . ൌ ݉ܣ ܫ Figura 3.7 Conexión en serie de un sistema fotovoltaico Nota. Tomado de Conexión en serie de dos o más paneles idénticos [imagen], MPPT Solar (https://www.mpptsolar.com/es/paneles-solares-serie.html) Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 4. Justificación El proyecto se enmarca dentro del ámbito institucional, al pretender implementarse en una universidad pública. Esto quiere decir que el proceso de la planificación del proyecto cobra sentido en tanto permite una participación de los actores involucrados, y que parte de la realidad mediante la elaboración de un diagnóstico que permita dar cumplimiento a propósitos establecidos. Contiene acuerdos que enmarcan la vida de la institución por lo que se convierte en un instrumento también orientador. Según Greenpeace (2017), se señala que “a medida que la digitalización se acelera y mayor parte de la población mundial se une a la era digital, se espera que el tráfico global de datos alcance 10,457 exabytes al 2019, anualmente”. Este crecimiento explosivo en el consumo digital está provocando grandes inversiones en infraestructura digital, particularmente en los centros de datos, lo cuales funcionan como fábricas de la economía digital y son capaces de consumir tanta energía como una ciudad considerada de tamaño mediano. Por mucho tiempo, la energía solar era una alternativa considerada en una especie de nicho, como fuente de electricidad para satélites artificiales y personas vinculadas a un estilo de vida profundamente ecológico; sin embargo, ahora su uso se ha vuelto más competitivo: ya sea por incentivos fiscales o disminución en el precio de los paneles, es mucho más factible utilizar paneles solares fotovoltaicos para alimentar equipos en los data center. Esto también va de acuerdo con las metas propuestas en el tema de impulsar la utilización de energía limpia para proveer de energía a la industria digital. Respecto a otras alternativas para este caso particular, podemos justificar el uso de energías renovables como la solar, por el hecho de que en el Departamento SISEI las medidas preventivas que se han aplicado a posibles problemas en el data center, por ejemplo, para la seguridad informática del mismo, como la instalación de cortafuegos de seguridad perimetral, han repercutido en el incremento del consumo de energía al sumarse más equipos para dar solución a estos temas. Es decir que, no se han implementado medidas de eficiencia que representen beneficios significativos para los requerimientos de energía del Departamento, por lo tanto, esta investigación representaría una mejora en reducir la facturación en el consumo de la demanda de energía eléctrica, proponiendo el diseño de un sistema fotovoltaico de conexión a la red eléctrica como oportunidad de mejora. También podemos añadir que el teletrabajo en tiempos de pandemia ha incrementado el tráfico de información de los servicios de la Universidad, es decir, muchos procesos que antes eran presenciales ahora se realizan de forma online y adquieren un carácter imprescindible para las labores diarias, lo cual se traduce en mayor necesidad de disponibilidad 24/7 de los sistemas y servicios. Para poder cumplir con esto podría pensarse en redundancia de servidores y conectividad, pero significaría la instalación y uso de más equipos que a su vez aumentaría el consumo eléctrico. Todos los procesos lógicos que se realizan en los equipos del data center requieren de energía para poder efectuarse y la interrupción del funcionamiento de los mismos podría Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL provocar errores y/o pérdida de información, es por eso que el diseño de un data center debe constantemente avanzar conforme pasa el tiempo. 5. Objetivos y metas Objetivo general Diseñar y proponer el uso de la energía solar a través de un sistema fotovoltaico de conexión a la red eléctrica para reducir el consumo y disminuir costos de la demanda energética de los equipos informáticos del data center del Departamento SISEI en la Universidad Tecnológica Metropolitana. Objetivos específicos 1) Caracterizar el recurso energético en el lugar donde se implementará el proyecto (radiación solar, sombras, área disponible) 2) Determinar el consumo y demanda actual del data center 3) Diseñar el sistema fotovoltaico de conexión a la red eléctrica a través de paneles fotovoltaicos para abastecer los requerimientos del data center; determinando la inclinación, orientación óptima de los paneles, la distancia entre ellos, la configuración del arreglo fotovoltaico, el tipo de inversor y el calibre de los conductores del sistema. Meta o Diseñar un modelo que defina una relación óptima entre costos de inversión y generación de energía solar, logrando un potencial de ahorro de al menos entre el 25%-30% del consumo energético de los equipos informáticos del data center, es decir, no incluyendo refrigeración, iluminación, seguridad, etc. 6. Metodología El objetivo principal es diseñar un sistema fotovoltaico, el cual estará conectado a la red eléctrica, de manera que pueda abastecer el consumo para el data center de SISEI, o bien, se pueda consumir de la red en caso de necesitar más energía de la generada, o entregar el excedente de energía fotovoltaica a la red, en caso de que la energía requerida sea menor que la generada. La metodología para este estudio se considera cuantitativa, ya que se pretende realizar cálculos que resulten en el dimensionamiento de los paneles fotovoltaicos, y de tipo cualitativa en el sentido de las observaciones que se harán sobre el lugar y por las evidencias tomadas de las condiciones del área. Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Hernández et al. (2014) define el enfoque cuantitativo en una investigación como un conjunto de procesos, el cual es secuencial y probatorio. Cada etapa del proceso precede a la siguiente y el orden es riguroso, sin embargo, también se pueden redefinir las fases. Se derivan preguntas de investigación, se revisa literatura y se construye un marco teórico. Después de las preguntas se establecen hipótesis y determinan variables; se traza un plan para probar las hipótesis (diseño); se trazan variables en un determinado contexto; se analizan estas mediciones y se extrae una serie de conclusiones respecto a la hipótesis. Por otro lado, en el enfoque cualitativo la recolección y el análisis de datos no preceden a las preguntas de investigación e hipótesis, ya que los estos estudios pueden desarrollar preguntas e hipótesis antes, durante o después de la recolección y el análisis de los datos. La acción indagatoria es dinámica entre los hechos y su interpretación, resultando en un proceso circular en el que la secuencia no es necesariamente siempre la misma. Utiliza la recolección y análisis de los datos para afinar las preguntas de investigación o revelar nuevas interrogantes. 6.1 Cronograma del proyecto Para la realización del proyecto, se ha desglosado en varias etapas las actividades identificadas hasta ahora, a través de un cronograma donde cada número corresponde a una semana de duración. Nombre de la tarea 1111111111222222222 Revisión de material sobre 1234567890 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 diseño de sistemas fotovoltaicos Análisis de situación actual Desarrollo de la propuesta Metodología y análisis de resultados Estudio de viabilidad económica, rentabilidad y retorno de la inversión Adquisición de materiales y equipo Instalación de la tecnología Conexión a la red eléctrica Pruebas de funcionamiento Entrega del proyecto Nota. Las actividades comprendidas a partir de la adquisición de materiales e implementación de la tecnología se realizarían sólo en caso de ser aprobado el proyecto. Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 6.2 Diagrama o esquema de trabajo Inicio • Investigación bibliográfica Análisis de la • Caracterización del recurso situación actual • Cálculo consumo energético Desarrollo de la • Dimensionamiento del sistema fotovoltaico propuesta Estudio viabilidad • Rentabilidad y retorno de económica del proyecto la inversión Adquisición de • Realizar solicitud de compra materiales y equipo Instalación de la tecnología Conexión a red eléctrica Pruebas de funcionamiento Entrega del proyecto Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 6.3 Actores involucrados Los actores o participantes involucrados son aquellos que tienen una relación con el proyecto, ya sea directa o indirectamente, es decir, aquellos que se puedan ver afectados de alguna forma por la toma de decisiones que se realicen en un grupo o comunidad. Dentro de los actores existen dos tipos: los agentes modeladores y los agentes decidores. Los modeladores son los que, como menciona su nombre, modelan el problema de decisión. En este grupo se incluye todos los que son afectados por el proyecto y tienen una opinión a tomar en cuenta. Por otro lado, los agentes decidores son aquello que toman la decisión final respecto del proyecto. (Quirland, 2017, p.32) Principales sujetos participantes en el proyecto: Tabla 6.1 Sujetos o actores participantes Rol Tipo Responsabilidad Ing. Ambiental Modelador Diseñar y presentar el proyecto Asesor externo Modelador Supervisar puesta en marcha del proyecto Encargado de infraestructura SISEI Modelador Supervisión técnica en la implementación del proyecto Departamento de Abastecimiento Modelador Comprar insumos y servicios Departamento de Servicios Modelador Asesorar al personal técnico sobre las Generales instalaciones Director del Departamento SISEI Decidor Aprobar el proyecto Vicerrectoría de Administración y Decidor Aprobar presupuesto para el proyecto Finanzas Fuente: Elaboración propia 6.4 Recursos Tabla 6.2 Recursos humanos, tecnológicos y materiales necesarios Acción Recursos humanos Recursos Recursos tecnológicos materiales Diseño y propuesta de Ing. Ambiental Computadora Software para cálculos implementación y modelos Compra de tecnología Departamento de Presupuesto Plataforma ambiental adquisiciones aprobado ChileCompra Implementación Técnico/Instalador Paneles solares Software de Inversor administración de los Operación Herramientas equipos Mantenimiento Operador Data Center Personal subcontratado Herramientas para la tarea Fuente: Elaboración propia Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 6.5 Diagrama de Pert y ruta crítica de la implementación del proyecto Actividad Descripción Precedencia Duración (semanas) a Revisión de material sobre diseño de sistemas 12 fotovoltaicos b Análisis de situación actual a3 a,b 4 c Desarrollo de la propuesta c1 d Metodología y análisis de resultados e Estudio de viabilidad económica, rentabilidad y d2 retorno de la inversión f Adquisición de materiales y equipo e 5 f 8 g Instalación de la tecnología g 2 g,h 1 h Conexión a red eléctrica i 1 i Pruebas de funcionamiento Total 39 j Entrega del proyecto P ES EF LS LF H Duración P = Actividad que se va a desarrollar ES = Tiempo de inicio más temprano (Early Start) EF = Tiempo de finalización más temprano (Early finish) LS = Tiempo de inicio más tardío (Latest Start) LF = Tiempo de finalización más tardío (Latest finish) H = Holgura ( ܨܮെ )ܨܧ Duración = días, semanas, meses, etc. Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 0 12 12 15 3 15 15 18 3 3 12 3 Inicio A B 22 24 20 25 00 C D 33 1 15 19 19 18 2 3 18 22 22 20 E 0 3 2 F La ruta crítica nos indica las 4 1 25 30 actividades que no se pueden 25 30 retrasar. Esto tiene sentido, ya que, H G si analizamos las actividades dentro 36 38 0 del proyecto, la etapa F 36 38 30 38 5 (adquisición de los materiales y 30 38 equipo para la instalación) es 0 fundamental, puesto que esta 2 0 misma desencadena 8 inevitablemente la realización de las siguientes etapas del proyecto; es decir, sin compra de materiales y equipo no se puede finalizar; así como si se retrasa, la entrega del proyecto también. Fin J I 40 40 39 40 38 39 40 40 39 40 38 39 0 0 0 0 1 1 Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 6.6 Caracterización del recurso solar El Explorador Solar es una herramienta en línea desarrollada por el Ministerio de Energía de Chile, la Sociedad Alemana para la Cooperación Internacional (GIZ) y el Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile, entre otras instituciones; puesta a disposición del público en general, destinada al análisis de los recursos renovables. Aquí, a manera de gráficos, es posible realizar evaluaciones preliminares del potencial energético sobre cualquier sitio definido por un usuario. El Explorador Solar presenta datos generados a partir de modelos atmosféricos y datos satelitales, para un período comprendido entre 2004 y 2016. Además de la caracterización del recurso solar en el país, el usuario puede realizar cálculos de generación fotovoltaica y sistemas solares térmicos. Al introducir las coordenadas del data center, se obtendrán datos como la radiación solar, es decir, la cantidad de energía solar que alcanza la superficie de la tierra, información meteorológica que puede influir en la generación de energía solar como temperatura promedio, sombras topográficas, frecuencia de nubes, velocidad del vientos, etc. 6.7 Determinación del consumo de energía del data center Para obtener el consumo promedio al día y al mes del data center se consultará la UPS principal. Este equipo entrega información en unidades de kW y kVA, mismas que se convertirán a kWh para determinar el consumo energético. A partir de la consulta de facturas de energía podemos conocer un promedio del consumo total del data center, es decir, no sólo de los equipos informáticos, sino también equipos de refrigeración, iluminación, etc. Consultar Anexo 6.7 para datos de UPS y recibos de luz. Los resultados de estas consultas nos ayudarán a calcular un balance energético y de costos entre la energía generada por el sistema fotovoltaico y el consumo estimado. 6.8 Diagnóstico de infraestructura Los sistemas fotovoltaicos deben instalarse en lugares donde se tenga certeza de que consigan una radiación directa hacia los paneles. Esto quiere decir que se requiere de un espacio abierto libre de obstáculos que puedan alterar el rendimiento del sistema al obstruir la luz del sol, produciendo sombras durante el día. Para la medición del área disponible, se ha utilizado el software Google Earth, sistema de información geográfica virtual, similar a Google Maps, el cual realiza una representación 3D de la Tierra basándose principalmente en imágenes satelitales. Con este programa el Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL usuario puede medir distancias entre distintas ubicaciones, así como dibujar polígonos en el mapa para medir su tamaño (medir áreas). Las principales características del edificio donde se encuentra el centro de datos se presentan en la Tabla 6.3 Tabla 6.3 Características principales del edificio SISEI Edificio SISEI Pisos 2 Altura 6݉ Área de techo 120 ݉ଶ Superficie disponible en el techo Se cuenta con 120 ݉ଶ de área total del techo del edificio. Las sombras son producidas por elementos externos a la edificación, principalmente un edificio contiguo cuya sombra sobre el techo cubre una superficie de 2 ൈ 10 ݉ a lo largo del día. Si acotamos la presencia de las sombras externas, el área disponible a considerar para la instalación corresponde aproximadamente a 100 6.9 Dimensionamiento del sistema Tipo de paneles o módulos Existen dos tipos de paneles que son los más comercializados: monocristalinos y policristalinos. Si se cuenta con relativamente poca superficie para la instalación de los módulos, se debería optar por los monocristalinos, que a pesar de ser más costosos son también más eficientes que los policristalinos. Para elegir el tipo de paneles también se tomaron en cuenta criterios como: o Superficie disponible. o Tamaño de los paneles (tomando en cuenta que un edificio puede presentar dificultades al momento de instalar los paneles en el techo, es decir, para subirlos, moverlos, falta de espacio, etc.) o Potencia máxima de los paneles o Disponibilidad de mercado (Ej. Que en caso de necesitar algún repuesto sea fácil de conseguir) o Características de resistencia a la intemperie. o Costos. La Tabla 6.4 presenta las principales características técnicas del módulo fotovoltaico monocristalino propuesto, basado en los criterios de elección mencionados anteriormente. Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Tabla 6.4 Características del panel solar propuesto Marca Amerisolar Modelo AS-6M120-HC Tipo Monocristalino PERC Potencia Peak (máxima) del módulo (ܹ) 370 ܹ Voltaje máximo (ܸைሻ 41.6 ܸ Corriente bajo carga máxima (ܫ) 10.7 ܣ Voltaje nominal bajo carga máxima (ܸ) 34.6 ܸ Eficiencia (%) 20 Largo 1.76 ݉ Ancho 1.05 ݉ Inclinación y orientación de paneles Si se tiene una demanda eléctrica elevada es poco viable realizar ajustes en la inclinación de los paneles manualmente, porque implica mayor cantidad de paneles instalados para satisfacer un consumo dado; esto debido a que los criterios de mejor captación de radiación solar son con una inclinación variable, es decir, realizar los ajustes por lo menos cada cambio de estación en el año. Es por eso que se ha decidido conservar un ángulo de inclinación fijo en el tiempo, el cual correspondería al valor de la latitud, que es el más adecuado para consumos constantes durante el año. Por lo tanto, el ángulo óptimo de inclinación es de β_óptimo=33° Asimismo, se utiliza como criterio general que la orientación óptima sea el norte geográfico, es decir, acimut cero, debido a que la instalación debe apuntar al ecuador pues ahí es donde existe la radiación más directa. Las desviación de hasta ±45°respecto al norte no afectan significativamente a la instalación. Esto significa que la orientación corresponde a los grados de desviación que presenta el edificio, es decir, -4° (Valdebenito, 2017, p. 45). Distancia entre paneles Si bien es cierto, la inclinación de los módulos produce un aumento en la captación de energía, esto también conlleva un aumento en la superficie requerida, puesto que generan más áreas de sombras. Para evitar que disminuya el rendimiento del sistema los módulos se deben separar a una cierta distancia de manera que la sombra proyectada alcance como máximo el borde inferior del marco de la fila siguiente de módulos. La elevación solar varía durante el año, lo que produce que las proyecciones de sombra también lo hagan. Por tanto, a menor altura solar, es decir, en invierno, más alargada es la sombra proyectada. (Valdebenito, 2017, p.46) Como durante el invierno ocurre la mayor proyección de sombra, la distancia quedará determinada por esta elevación solar. Para conocer este dato, se recurre a la aplicación Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL web Sun Earth Tools, en la cual, a partir de datos de entrada del lugar, como dirección o coordenadas, día, hora, etc., podemos determinar valores de azimut y elevación, así como una carta de la trayectoria del sol. Figura 6.1 Carta solar para Latitud -33.4498 y Longitud -70.6587 Nota. Tomado de SunEarthTools.com, 2021 (https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=es#top) La separación mínima entre las filas de módulos se obtiene a partir de la Ecuación 6.1: Ecuación 6.1 ݀݉݅݊ ൌ ܮ ቆcos ߚ௧ sin ߜߚ௧ ቇ tan ܮൌ ݈݉ ݈݁݀ ݀ݑݐ݅݃݊ó݈݀ݑ ߜ ൌ á݊݃݉ ݈ݑí݊݅݉݅ܿܽݒ݈݁݁ ݁݀ ó݊ ݎ݈ܽݏ ߚ ൌ á݈݊݃݅ܿܽ݊݅ܿ݊݅ ݁݀ ݈ݑó݊ ݀݁ ݈݉ ݏó݀ݏ݈ݑ Si reemplazamos los valores que tenemos del panel fotovoltaico (Tabla 6.4) en la Ecuación 6.1, tenemos: ݀݉݅݊ ൌ 1.76 ݉ ൬cos 33 sin 33 ൌ 1.76 ݉ ൬0.838 0.544 ൌ 1.76 ݉ሺ0.838 0.838ሻ tan 33൰ 0.649൰ Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL Al final de la vida útil podría generarse cierto impacto ambiental relacionado con su disposición final. La vida útil promedio de un panel ronda los 25 a 30 años, lo cual representa un desafío para crear nuevas oportunidades de aprovechamiento. Como se trata de un proyecto que plantea realizar una instalación fotovoltaica a pequeña escala, cuyo fin sólo es la generación de energía eléctrica a partir de una fuente renovable, no sería necesario presentar la Declaración de Impacto Ambiental, puesto que no se considera susceptible de generar un impacto significativo al medio ambiente. 8.2 Beneficios técnicos, legales ambientales, sociales y económicos del proyecto ambiental Tabla 8.1 Matriz comparativa de beneficios técnicos, sociales, ambientales y económicos Criterios o Mayor rendimiento de conversión de la energía significa mayor técnicos generación eléctrica. Requerimientos legales o Optimización y uso más eficiente de la energía eléctrica. Criterios o Se puede producir entre un 10 y 40% de las necesidades de ambientales energía de lugar donde se desarrolle el proyecto. Criterios o Entre 25 y 30 años de vida útil. sociales o Sistema modular. Criterios o Se puede aumentar la capacidad instalada. económicos o Fácil mantenimiento. o Realizar la instalación fotovoltaica de acuerdo a la Instrucción Técnica: RGR N°02/2020 o Fuente de energía limpia, renovable. o Reducción de emisiones que será proporcional al porcentaje de energía eléctrica que se deja de consumir de la fuente convencional. o No se producen residuos perjudiciales al medio ambiente. o No existe afectación biótica/abiótica. o Tecnología silenciosa. o Mejora la imagen del departamento de Informática y por lo tanto de la Universidad. o Contribuye al cumplimiento de metas de sustentabilidad de la Universidad. o Mejoramiento de la zona en la que está instalada la tecnología a través de la percepción de la comunidad. o No hay costos adicionales después de la instalación. o Reducción de costos a nivel de consumo eléctrico del data center. o Retorno de la inversión relativamente corto. Fuente: Elaboración propia Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL 8.3 Presupuesto del proyecto Para el proyecto se evalúa un sistema fotovoltaico que consta de un inversor trifásico de potencia de 10 kW y 20 módulos de 370 W dispuestos en 5 soportes de 4 paneles. El costo de inversión contempla los equipos/materiales necesarios, la instalación, y un 5% de contingencias. La Tabla 8.2 presenta la estructura de costos. Tabla 8.2 Estructura del costo total asociado a la instalación del sistema fotovoltaico propuesto. Valores en Peso Chileno (CLP) Item Precio unidad Cantidad Precio Paneles $ 132,842.00 20 $ 2 656,840.00 Inversor $ 2 472,024.00 1 $ 2 472,024.00 Cables eléctricos (negro) $ 908.00 100 $ 90,800.00 Cables eléctricos (rojo) $ 908.00 100 $ 90,800.00 Conectores MC4 (Set 1M + 1 F) $ 1,564.00 21 $ 32,844.00 Portafusible y fusible 20 A MC4 (set) $ 7,818.00 1 $ 7,818.00 Estructura soporte paneles $ 155.990,00 5 $ 779,950.00 Total equipos $ 6 131,076.00 Instalación $ 1 287,525.96 Contingencias $ 306,553.80 Total $ 7 725,155.76 Fuente: Elaboración propia En resumen, el costo total asociado a la instalación del sistema fotovoltaico de 7.4 ܹ݇ es de $ 7 725,155.76 CLP. En cuanto a los costos de operación y mantenimiento (OPEX) de sistemas fotovoltaicos para generación de energía eléctrica, Breyer et. al. (2009, como se citó en Viñuela y Núñez, 2012) afirman que por lo general son bajos y representan alrededor de un 0.5% a 1.5% anual sobre los costos de inversión inicial. Para este caso se tomará un 1.4%, que equivale a $ 108,152.18 anual. En cuanto al precio de la energía, Ortiz (2017) sugiere estimarlo con un crecimiento anual del 3% (como se citó en Valdebenito, 2017). Análisis Costo/Beneficio La tabla 8.3 muestra los ingresos en el primer año por la energía generada, así como los costos asociados al proyecto, los cuales corresponden a trabajos de operación y mantenimiento. Tabla 8.3 Ingresos y Costos Año 1 Flujo de Efectivo (CLP) Año 0 Año 1 $ 65.66 Precio de la Energía ($/kWh) $ 63.75 $ 718,216.43 (+) Valor de la energía generada (, ૢૡ ࢃࢎ) Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
Título del Proyecto Terminal Dyo Nekheb García Morton TECNOLOGÍA AMBIENTAL (-) OPEX $ 108,152.18 Inversión $ 7 725,155.76 (Fuente: Elaboración propia) Por lo tanto, el cálculo de la relación Costo/Beneficio puede realizarse bajo la ecuación 8.1 a continuación: Ecuación 8.1 Dónde: ܫܣܸ ܤ ܥൌ ܸܥܣ ܸ ܫܣൌ ܸ݈ܽݏݐ݁݊ ݏ݂ܾ݅ܿ݅݁݊݁ ݏݐ݁݊ ݏ݈݁ܽݐݐ ݏݏ݁ݎ݃݊݅ ݏ݈ ݁݀ ݈ܽݑݐܿܽ ݎ ܸ ܥܣൌ ܸ݈ܽ݅ݏݎ݁ݒ݊݅ ݁݀ ݏݐݏܿ ݏ݈ ݁݀ ݈ܽݑݐܿܽ ݎó݊ ݏ݈݁ܽݐݐ ݏݐݏܿ Por lo tanto: ܽ ݎ݁݉݅ݎ ݈ܽ ݏݐݏܥñ ൌ ݅ݏݎ݁ݒ݊ܫó݊ ܱܲܺܧ ܽ ݎ݁݉݅ݎ ݈ܽ ݏݐݏܥñ ൌ $ 7 725,155.76 $ 108.152,18 ൌ $ 7 833,307.94 ܽ ݎ݁݉݅ݎ ݈ܽ ݏݏ݁ݎ݃݊ܫñ ሺܸ݈ܽ݃ݎ݁݊݁ ݈ܽ ݁݀ ݎíܽ ܽ݀݅ܿݑ݀ݎሻ ൌ $ 718,216.43 ܤ$ 718,216.43 ܥൌ $ 7 833,307.94 ൌ $ 0.09 Si B/C >1 Se acepta el proyecto/alternativa Si B/C < 1 El proyecto/alternativa debe rechazarse Esto quiere decir que el proyecto no es rentable económicamente, pues los beneficios no son mayores a la inversión. 9. Análisis de resultados Sabemos por información publicada por el Ministerio de Energía de Chile, que este es uno de los países con mayor radiación solar en el mundo, por lo que el proyecto tendrá un potencial óptimo para cubrir la demanda de energía del data center. Sin embargo, es necesario conocer datos como la radiación anual de la zona de estudio, sombras topográficas, porcentaje de nubes, temperatura, viento, etc., ya que representan indicadores de cuan aprovechable es la radiación solar que llegará a los paneles y para calcular la producción de energía de la instalación en cuanto a eficiencia, si habrá pérdidas, etc. Estos valores también serán diferentes dependiendo del lugar referenciado, lo que puede constatarse con otros autores que también han recurrido al Explorador Solar como herramienta para conocer dicha información y realizar simulaciones que entreguen como resultado la generación eléctrica del sistema. En otros casos se utiliza software especializado (por ejemplo: bases de datos meteorológicos, simuladores de sistemas Universidad Abierta y a Distancia de México | División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales México 2020
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