INTRODUCCIÓN

La energía solar continúa liderando la expansión de la capacidad de generación renovable a nivel mundial ¹. El uso de sistemas fotovoltaicos (FV) instalados en tejados y fachadas de edificaciones, o integrados en ellas, está aumentando en ciudades de regiones desarrolladas como Europa y Norteamérica. Esto se debe no solo a la flexibilidad y escalabilidad de esta tecnología, sino también a su rápido desarrollo, que ha reducido los costos de los módulos fotovoltaicos en más de un 85% entre 2009 y 2018 en la mayoría de los mercados².

El desarrollo de sistemas FV en las ciudades puede producir energía limpia para satisfacer la demanda de electricidad urbana y, al mismo tiempo, fomentar nuevos negocios y crear oportunidades de empleo local ³. No obstante, el despliegue de sistemas FV en ciudades de países en desarrollo, que cuentan con un mayor potencial solar, a menudo se encuentra en una fase más temprana ³. Este es el caso de Ecuador, un país con un importante potencial de energía solar, ya que casi el 55% de su territorio presenta niveles de radiación solar superiores a 4.1 kWh/m²/d ⁴. No obstante, la participación de la generación FV en la matriz energética es aún marginal, con una producción total de energía eléctrica del 0,1% en 2020, proveniente de una capacitad total instalada de 27.63 MW ⁵⁾, la cual en su mayoría corresponde a sistemas fotovoltaicos instalados en suelo.

Sin embargo, el reciente marco normativo de la generación distribuida para autoabastecimiento de consumidores regulados de energía eléctrica ⁶ ha fomentado el despliegue de la tecnología FV y hasta marzo 2021 se reportaron 80 sistemas de este tipo de tecnología con una capacidad total instalada de 3 MW para autoconsumo de usuarios residenciales, comerciales e industriales ⁷.

Para promover un mayor despliegue de los sistemas FV en las ciudades ecuatorianas, el presente trabajo tiene por objeto evaluar el potencial técnico y económico de sistemas FV instalados en tejados o terrazas en el cantón Quito, que comprende 32 parroquias urbanas y 33 parroquias rurales y tiene una población de aproximadamente 2.2 millones de habitantes ⁸. La Figura 1 presenta la ubicación geográfica del área de estudio y la Figura 2 muestra en detalle las parroquias urbanas y rurales del cantón.

Fuente: Ilustración propia, datos obtenidos de la Ref. ⁹

Figura 1 Ubicación geográfica del cantón Quito 

Fuente: Ilustración propia, datos obtenidos de la Ref. ⁹

Figura 2 Mapa de división política administrativa (parroquias urbanas y rurales) del cantón Quito 

Previamente, Dávila y Vallejo ¹⁰ utilizaron un enfoque estadístico para evaluar el potencial técnico de sistemas FV en tejados en las 32 parroquias urbanas de Quito. Los autores calcularon la superficie de tejados a partir de la caracterización de la superficie de los edificios en dos manzanas aleatorias de cada parroquia, para luego extrapolarla a toda la zona urbana. Para el cálculo de la generación FV anual los autores utilizaron los valores medios anuales de radiación solar de un punto dentro de cada parroquia en base a los datos del año meteorológico típico, que fueron obtenidos de la base de datos National Solar Radiation Database (NSRDB) ¹¹.

En este trabajo, presentamos un procedimiento diferente para el cálculo del potencial técnico, el cual está basado en sistemas de información geográfica (SIG) y datos meteorológicos horarios en una grilla de resolución espacial de 3 × 3 km. De esta forma, la variabilidad espacial y temporal del recurso solar en el área de estudio es tomada en cuenta para la evaluación del potencial FV en tejados de las parroquias urbanas y rurales del cantón Quito.

MATERIALES Y MÉTODOS

Metodología

La metodología para la evaluación del potencial de energía solar FV en tejados comprende tres etapas que son explicadas en detalle a continuación.

• Evaluación geoespacial

El procedimiento comienza con el cálculo del área disponible de los tejados en edificaciones que podría ser utilizada para la instalación de sistemas FV. Este cálculo se realizó en base al catastro digital del cantón Quito ¹³, el cual contiene polígonos vectoriales que representan una vista aérea de las superficies edificadas de las parroquias urbanas y rurales del cantón. Para el procesamiento de los datos SIG se utilizó el software QGIS v3.16 ¹⁴. Primero se dividió el mapa de límites administrativos del cantón en una grilla de referencia con cuadrados de 3 × 3 km, cuyos centroides son las coordenadas geográficas del conjunto de datos meteorológicos (Figura 3a). Este procedimiento es necesario para garantizar que tanto las superficies calculadas de los tejados coincidan en términos de resolución espacial con los datos meteorológicos, permitiendo así el posterior cálculo del potencial técnico. Una vez construida la capa de referencia, los polígonos localizados dentro de cada grilla fueron extraídos (Figura 3b) para posteriormente calcular el área total de los mismos. Este procedimiento se repitió para cada cuadrado de la grilla hasta cubrir toda la zona de estudio.

Figura 3 Ilustración del procesamiento de los datos SIG para calcular el área disponible de tejados en el cantón Quito. (a) Generación de una grilla sobre el mapa digital de límites administrativos. (b) Extracción de los polígonos que representan edificaciones ubicadas dentro de cada cuadrícula 

• Evaluación técnica

La librería pvlib-python ¹⁵ se utilizó para calcular la energía solar FV que podría generarse en la superficie total disponible de los tejados en cada uno de los cuadrados de la grilla previamente calculada. Esta librería permite simular el desempeño de un sistema FV en base a datos meteorológicos de entrada, especificaciones del módulo FV y parámetros técnicos del sistema. En este estudio, los parámetros técnicos del sistema son fijados en los valores mostrados en la Tabla 1, donde el factor de pérdidas (f_p) representa las pérdidas energéticas debido a captación y de sistema; y el factor de utilización (f_u) se define como la parte utilizable de la superficie del tejado apto para la instalación de los módulos FV. En este caso, se utilizó el módulo de silicio monocristalino SPR 220 BLK-U del fabricante SunPower, cuyas características son obtenidas directamente en pvlib-python.

Tabla 1 Parámetros técnicos del sistema FV utilizados para la evaluación del potencial técnico 

El rendimiento eléctrico de los módulos FV se simuló usando el modelo Sandia Array Performance Model (SAPM) ²¹, seleccionado directamente en pvlib-python. Usando los datos meteorológicos a nivel horario de un punto de la grilla de ubicación (s), el modelo SAPM simula la curva característica de corriente-voltaje que determina la potencia de salida de un único módulo FV en esas condiciones meteorológicas concretas.

La potencia total producida en el cuadrado de la grilla con ubicación (s) se calculó según la Ecuación 1, donde N_m es el número de módulos que pueden instalarse dentro del área útil A_F(s) de los tejados en el cuadrado de la grilla de ubicación (s); P_{mpp (s)} es la potencia en el punto de máxima potencia calculado por el modelo SAPM utilizando los datos meteorológicos de la ubicación (s) en el tiempo (t), y f_p es el factor de pérdida. El número de módulos N_m se calculó según la Ecuación 2, donde A_FV(s) es el área útil y A_m es la superficie de un módulo FV. El área útil A_FV(s) se calculó según la Ecuación 3, donde A_T(s) es el área de los tejados total disponible en el cuadrado de la grilla de ubicación (s), y f_u es el factor de utilización.

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El proceso descrito anteriormente se repitió para cada cuadrado de la grilla del cantón Quito. Posteriormente, las series de tiempo de producción de energía resultantes asociadas a las coordenadas geográficas específicas del centroide del cuadrado de la grilla se recopilaron en un archivo NetCDF.

La producción anual de energía E_anual en el área de estudio se calculó según la Ecuación 4, donde y equivale a 8760 horas en un año y k representa el número total de grillas dentro del área de estudio.

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• Evaluación económica

La factibilidad económica de la tecnología solar FV depende de la posibilidad de sustituir una fuente de electricidad existente por la procedente de un sistema FV, lo que comúnmente se evalúa comparando el costo nivelado de electricidad (LCOE) con la tarifa de electricidad ⁽¹⁹, y se calcula según la Ecuación 5.

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donde, CAPEX es la inversión inicial total, OPEX son los costos de operación y mantenimiento anuales, P es la capacidad total instalada, E0 es la producción anual inicial, r es la tasa de descuento, D es la tasa de degradación del sistema, n es el año analizado, y N es el tiempo de vida útil del sistema FV ²².

Siguiendo las sugerencias de Tjengdrawira et al. ²², el LCOE se calculó bajo tres escenarios financieros, denominados bajo, medio y alto, en los cuales se utilizaron diferentes valores para CAPEX OPEX y r, que fueron seleccionados en base a múltiples fuentes bibliográficas resumidas en la Tabla 2.

Tabla 2 Parámetros de entrada para la evaluación económica bajo tres escenarios financieros 

Para el análisis de la factibilidad económica se asumió una tarifa eléctrica residencial representativa en el cantón Quito, la cual fue calculada en base a un consumo mensual representativo en el área de estudio, previamente calculada por Salazar ²⁸, y siguiendo el método utilizado por Benalcázar et al. ²⁵ para el cálculo de las tarifas adicionales debido a servicios de comercialización y alumbrado público, que normalmente son incluidas en la factura final de electricidad de los usuarios residenciales en Ecuador. La facturación final también puede incluir diferentes subsidios ²⁹, sin embargo éstos no fueron tomadas en cuenta en este estudio.

La Tabla 3 muestra los valores utilizados para el cálculo y la tarifa representativa asumida para este estudio. Nótese que las tarifas de comercialización y alumbrado público mostradas son solo una aproximación, ya que las mismas se pagan mensualmente independientemente del consumo.

Tabla 3 Tarifa eléctrica residencial representativa en el cantón Quito asumida en este estudio 

Notas: a) Consumo mensual representativo según Ref.²⁸. b) Tarifas reguladas en 2019 según Ref.²⁹de acuerdo al consumo mensual representativo

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados de la evaluación geoespacial muestran un área total disponible de 61 km² en tejados y terrazas del cantón Quito. La distribución espacial de esta superficie se muestra en la Figura 4, donde se puede observar que la misma está altamente concentrada (~89%) entre las latitudes 0.5°S y 0°N, donde se encuentran las parroquias urbanas. Una menor superficie disponible se observa al este y norte del cantón, donde predomina la zona rural.

Fuente: Cálculos propios, datos recuperados de la Ref. ¹³

Figura 4 Distribución espacial del área de tejados disponible en el cantón Quito con una resolución de grilla de 3x3 km 

La Tabla 4 muestra un resumen del potencial técnico de sistemas FV sobre tejado estimado en Quito, suponiendo que el 100% del área resultante es utilizada para la instalación de sistemas FV. Se puede observar que podría instalarse una capacidad total de 5403.74 MWp, la cual generaría un total de 7851.51 GWh al año, debido al alto nivel de radiación global total promedio en el área de estudio (4.3 kWh/m2/d). Adicionalmente, se puede observar que se requeriría aproximadamente el 43% del potencial técnico estimado para cubrir el consumo anual de electricidad en Quito registrado en el 2019³⁰.

Tabla 4 Resumen de los resultados del análisis del potencial técnico de sistemas FV sobre tejado estimado en el cantón Quito 

Notas: a). Capacidad total estimada que podría ser instalada en tejados según las suposiciones consideradas para la evaluación técnica. b). Producción de electricidad anual estimada si se desarrollara el 100% del área útil de tejados. c) Consumo total anual de electricidad en 2019 de todos los grupos de consumo (residencial, comercial, industrial, alumbrado público y otros) reportado en la Ref. ³⁰. d) Basado en las estadísticas de consumo eléctrico en 2019 reportadas en la Ref. ³⁰ y suponiendo el uso del potencial técnico total estimado

En la Figura 5 se presenta la comparación entre la generación estimada por mes y el consumo eléctrico registrado en 2019, lo cual evidencia que la generación FV estimada supera el consumo eléctrico durante todo el año. También se observa que el consumo mensual es relativamente estable, contrario a la generación FV que muestra una variación estacional, la cual está relacionada con la variabilidad espacial y temporal del recurso solar previamente investigada por Tapia et al. ¹².

Fuente: Cálculos propios y estadísticas de consumo en 2019 reportados en la Ref. ³⁰

Figura 5 Comparación de la generación FV mensual estimada en tejados del cantón Quito con respecto al consumo eléctrico mensual durante 2019 de todos los grupos de consumo (residencial, comercial, industrial, alumbrado público y otros) 

Un análisis más detallado de la generación anual estimada por parroquias del cantón Quito se presenta en la Figura 6. Adicionalmente, la Figura 7 muestra una comparación entre la generación anual estimada y el consumo eléctrico en 2019 desagregado por tipo de consumo en cada parroquia. De estas figuras se observa que las parroquias Calderón y Conocoto, que son parroquias periurbanas densamente pobladas, tienen la mayor generación anual (570.95 y 413.09 GWh/a, respectivamente). Además, en la Figura 7 se destaca que el potencial estimado supera el consumo anual de electricidad de casi todas las parroquias, con excepción de la parroquia Iñaquito, que tiene un alto consumo comercial en Quito según las estadísticas de consumo eléctrico en 2019 ³⁰.

Fuente: Cálculos propios

Figura 6 Generación FV anual estimada en tejados agregada por parroquias del cantón Quito 

Fuente: Cálculos propios y estadísticas de consumo en 2019 tomadas de Ref. ³⁰

Figura 7 Comparación de la generación fotovoltaica anual estimada en tejados y el consumo de electricidad en las parroquias urbanas y rurales del cantón Quito desagregado por grupos de consumo (residencial, comercial, industrial y otros) 

Debido a que una mayor penetración de la energía FV puede provocar inestabilidad en la red y aumentar considerablemente los requisitos de almacenamiento y respaldo del sistema, es necesario examinar las series temporales de la generación FV estimada en tejados con respecto a la demanda de electricidad a nivel horario ³¹. Para ofrecer una visión general de esta comparación, utilizamos un perfil típico de demanda horaria de usuarios residenciales y comerciales en Quito ²⁵.

Como se puede observar en la Figura 8, la generación FV estimada no coincide con los periodos de demanda según el perfil típico. En el caso de los usuarios residenciales, la curva de demanda muestra un pequeño pico alrededor a las 07:00 y otro de mayor magnitud a las 19:00, mientras que la generación FV alcanza su mayor producción entre las 10:00 y las 14:00, cuando la demanda residencial es baja. En el caso de los usuarios comerciales, el primer pico de demanda se produce entre las 09:00 y las 11:00, que corresponde a las horas de máxima generación FV; sin embargo, el segundo pico se produce entre las 17:00 y las 19:00, cuando la producción FV está disminuyendo.

Esta comparación sugiere que el potencial técnico estimado de la energía FV sobre tejado no podría aprovecharse completamente sin el uso de sistemas de almacenamiento o conexiones para inyectar el exceso de energía FV sobre tejados a la red eléctrica.

Fuente: Cálculos propios y datos de consumo tomados de la Ref. ²⁵

Figura 8 Comparación de la potencia de salida FV media horaria estimada por área de tejado con respecto al perfil típico de demanda horaria en Quito para (a) usuarios residenciales (consumo medio mensual de 500 kWh) y (b) usuarios comerciales (potencia contratada 11 kW) 

Con respecto al análisis económico, en la Tabla 5 se muestra los valores calculados de LCOE considerando los tres escenarios financieros. Una comparación entre estos resultados y la tarifa eléctrica residencial representativa (ver Tabla 3) sugieren que la generación FV es competitiva en el área de estudio en el escenario bajo. Sin embargo, en los escenarios medio y alto, el costo de generación FV estimado en términos de LCOE es superior a la tarifa eléctrica representativa para usuarios residenciales en el cantón. Esto se debe principalmente a los subsidios para la generación de electricidad en Ecuador, reflejados en tarifas de electricidad más bajas para los usuarios finales. Sin embargo, según las proyecciones del Banco Interamericano de Desarrollo los costos de inversión de los proyectos FV disminuirá progresivamente (950 USD/kWp en Ecuador para el 2023) ³², lo cual se reflejaría en valores más competitivos de LCOE para los proyectos FV en tejados.

Tabla 5 LCOE estimado de la generación FV en tres escenarios financieros si se explotara el 100% del área de tejados utilizable en el cantón Quito 

Fuente: Cálculos propios

CONCLUSIONES

El cantón Quito en Ecuador cuenta con un gran recurso solar debido a su privilegiada posición geográfica. Según los resultados de este trabajo, el potencial técnico de sistemas FV en tejados podría cubrir 2.3 veces el consumo de electricidad registrado en el 2019 en el cantón. Debido a los altos niveles de radiación y a la baja variabilidad intra-anual observada en el área de estudio, el recurso solar podría ser aprovechado durante todo el año. Sin embargo, debido a que el pico de demanda de electricidad de usuarios residenciales y comerciales se produce fuera del periodo de máxima producción FV, sería necesario utilizar sistemas de almacenamiento o conexiones para inyectar la generación excedente a la red eléctrica.

Según los resultados de la evaluación económica, la tecnología FV en tejados es competitiva únicamente en el escenario financiero que considera costos de inversión iniciales optimistas y una tasa de descuento baja. Sin embargo, en los escenarios financieros medio y alto, el costo de generación FV estimado es mayor a la tarifa eléctrica de referencia para usuarios residenciales.

Por lo tanto, sería necesario el establecimiento de estrategias para crear condiciones económicas competitivas con el fin de fomentar el interés del usuario final a la hora de instalar sistemas fotovoltaicos sobre tejado. En ese sentido, se espera que el actual marco regulatorio en Ecuador para el autoconsumo mediante sistemas de energía distribuida bajo un esquema de balance energético neto mensual proporcione incentivos económicos a los usuarios y apoye la penetración de la tecnología solar FV en tejados. De esta forma se podría explotar el gran potencial técnico estimado con el fin de descentralizar la generación eléctrica y así desplazar la generación térmica basada en combustibles fósiles.

Con respecto a la metodología utilizada en este estudio, cabe destacar que la utilización de mapas digitales catastrales para la evaluación geoespacial, así como datos meteorológicos en grilla y a nivel horario conduce a estimaciones más realistas en comparación con métodos que se basan únicamente en estadísticas para la evaluación del potencial técnico de sistemas FV en tejados. Futuras investigaciones podrían utilizar datos en mayor resolución de las edificaciones y métodos de evaluación de sombras para explorar con mayor detalle el potencial técnico de las zonas con alta densidad de tejados identificadas en este estudio