Pontificia Universida CatlicaEscuela de ingenieradepartamento de ingeniera elctricaiee 3373 mercados elctricos

Trabajo de investigacin

Tendencias actuales de precios y tecnologas en plantas de generacin fotovoltaica

Alumnos: Benjamn MeryToms VacarezzaSupervisor: Mario PavezProfesor: Hugh Rudnickndice1.- Introduccin2.- Paneles Fotovoltaicos2.1- Efecto Fotovoltaico2.2- Eficiencia celdas solares2.3.- Clasificacin por componentes2.4.- Funcionamiento y Esquema paneles solares2.5.-Aplicaciones paneles solares3.- Referencia Histrica3.1.- Primeras aplicaciones3.2.- Referencia histrica de la eficiencia3.3.- Referencia histrica de los costos de produccin4.- Importancia ubicacin geogrfica5.- Mercado de generacin solar actual en Chile5.1.- Aspectos relevantes5.2.- Plantas de generacin fotovoltaica chilenas5.3.- Costos actuales de generacin elctrica en el SING5.3.1.- Centrales de Carbn.5.3.2.- Centrales a Gas Natural5.3.3.- Centrales Solares PV5.4.- Proyectos para los prximos aos6.- El impacto de la generacin fotovoltaica distribuida6.1.- La realidad y los problemas6.2.- Conexin de generacin fotovoltaica: problemas y discusin6.2.1.- Comunicacin & Control6.2.2.- Proteccin de Sobrecorriente6.2.3.- Conexin a tierra6.3.- Desventajas de los sistemas fotovoltaicos: problemas y discusin6.3.1.- Variabilidad6.3.2.- El factor de potencia6.3.3.- Islanding6.4.- Porque la generacin fotovoltaica ser la solucin en el futuro6.4.1.- En relacin a la regulacin de voltaje6.4.2.- En relacin a la calidad de la potencia(o servicio) entregada6.4.3.- Control dinmico7.- Variacin tecnologas celdas fotovoltaicas8.- Mercado de generacin solar8.1.- Mercado actual internacional8.2.- Mercado internacional esperado8.2.1.- La evolucin por sector8.2.2.- La evolucin en participacin8.2.3.- Evolucin esperada de tecnologas8.2.4.-Proyeccin de generacin8.3- Chile como escenario8.4.- Costo futuro esperado en relacin a los avances tecnolgicos8.4.1.- Generacin Carbn 20308.4.2.- Centrales Elicas 20308.4.3.- Centrales Geotrmicas 20308.4.4.- Centrales Solar PV 20308.5.- Costos futuros reales en Chile8.5.1.- Negocio y mercado de los bonos de carbn8.6.- Subvencin generacin solar PV9.- Conclusiones10.- Bibliografa 1.- Introduccin En este trabajo de investigacin profundizaremos de manera analtica y metdica el mercado industrial de compra/venta de paneles fotovoltaicos en Chile. Partiendo con una breve resea histrica y contextualizacin del tema para hacer hincapi en las nuevas tendencias y tecnologas, resumiremos como es que se ha ido modelando histricamente tanto el precio como la tecnologa de esta generacin, sin dejar de lado las importancias que ambos tienen, tanto como para su implementacin como su preponderancia a la hora de evaluar proyectos que los incluyen. Ms an, se presenta tambin un bosquejo de la situacin internacional y sus avances a la fecha, para poder as relacionar lo anterior con el mercado Chileno e identificar cules son las diferencias ms importantes que dan origen a la naturaleza de este mercado en nuestro pas. Pretendiendo abarcar la investigacin de la manera ms integradora posible, damos referencias geogrficas de la importancia de la ubicacin en este tipo de generacin para as demostrar que Chile esta posicionado relativamente bien y que tan trascendental es este privilegio frente a los precios y eficiencia que se puedan sostener. Tambin se realizo una anlisis del impacto de la generacin fotovoltaica distribuida, comentado las discusiones y problemas, las distintas conexiones, las ventajas y desventajas que se producen y otros conceptos como el islanding, variabilidad y factor de potencia, adems de presentar el porque es una buena solucin de la mano con una regulacin ms acuerda a este plano. Por ltimo damos una mirada al futuro para predecir cmo es que evolucionara el mercado Chileno, tanto como en relacin a otros pases como al desempeo interno en relacin a los indicadores ms comunes. Continuando con lo anterior se presenta una mirada detallada al avance esperado tanto chileno como el mundial, presentando de distintas maneras un anlisis que trata de representar los posibles marcos contextuales de la generacin fotovoltaica en un futuro. Tambin se realiz un anlisis de las otras tecnologas relevantes de generacin elctrica en Chile, comparndola con la generacin fotovoltaica y tambin se comento sobre la internalizacin de las externalidades negativas que tienen algunas tecnologas y una manera concuerda de utilizar esta internalizacin. Se coment en este mismo aspecto sobre el mercado de crditos de carbono y como incentivan estos la inversin en generacin fotovoltaica. Nuestro supervisor de investigacin es Don Mario Pavez, ingeniero civil elctrico egresado de la UC y gerente de desarrollo elico y solar en Mainstream.2.- Paneles Fotovoltaicos Los paneles solares bsicamente son dispositivos electrnicos diseados para captar la radiacin solar y generar electricidad mediante energa solar fotovoltaica.2.1- Efecto FotovoltaicoLos paneles fotovoltaicos estn formados de una serie de celdas fotovoltaicas que convierten la energa de radiacin solar compuesta por fotones en energa elctrica. Para realizar esto las celdas ocupan el efecto fotovoltaico, el cual consiste en la emisin de electrones en un metal cuando se hace incidir sobre l algn tipo de radiacin electromagntica (como la solar). Entonces, como podemos observar en la Figura 1, se producen cargas negativas y positivas en dos semiconductores prximos de diferente tipo (silicio tipo N y silicio tipo P), produciendo as un campo electromagntico capaz de generar corriente elctrica.

Figura 1: Efecto Fotovoltaico[1] La teora matemtica que sigue el efecto voltaico es la siguiente: Donde tenemos los siguientes aspectos relevantes:1. La energa cintica resultante del efecto depende de la frecuencia de la radiacin incidente () y de la posicin que ocupa el electrn que va a ser extrado del metal (). En otras palabras, la energa incidente menos el trabajo de extraccin del electrn es igual a la energa cintica del electrn extrado.2. La intensidad de la corriente (i, amperes) fotovoltaica depende de la intensidad de la radiacin (I, W/m2).3. Cada metal requiere una radiacin de frecuencia de mnima (f0) para que se realice la extraccin. Frecuencias por debajo de esta generan intensidad de corriente igual a cero.4. La emisin es prcticamente instantnea y no depende de la intensidad de la radiacin incidente (I). El tiempo es del orden de 10-9 segundos (1 nanosegundo)La produccin fotovoltaica se realiza entonces en torno al efecto recientemente explicado, logrando de esta manera usar eficientemente la energa proveniente del sol para producir corriente elctrica.En base a lo anterior, en cuando a la llegada efectiva de un fotn al panel solar, existen 3 posibles efectos:1. Pasar a travs del material, en donde no se produce energa elctrica. Generalmente en fotones de baja energa.2. Ser reflejado, no se produce energa elctrica.3. Ser absorbido por el silicio, donde hay dos posibles efectos:a. Generar calor (prdida de energa)b. Producir pares hueco-electrn, donde si la energa del fotn incidente es ms alta que la mnima necesaria impuesta por el metal, los electrones llegaran a la banda de conduccin y se generar energa elctrica.2.2- Eficiencia celdas solaresEn cuanto a la eficiencia de un panel solar, tenemos la siguiente formula de eficiencia de conversin solar[3]:

En donde representa la eficiencia porcentual de la clula solar, la potencia mxima generada, la irradiancia (W/m2) que es bsicamente intensidad de la radiacin y finalmente , que representa el rea superficial de la clula solar.Los valores de la irradiancia son calculados bajo situaciones estndar, por ejemplo a una temperatura de 25 C, con una masa de aire espectral de 1.5 AM, con las celdas en una inclinacin determinada sobre la horizontal, el valor de E es igual a 1000 W/m2.Otro factor relevante para medir la eficiencia, es el Factor de llenado, definida como el mximo punto de potencia dividido por el voltaje en circuito abierto por la corriente en corto circuito.

En la Figura 2 tenemos una referencia del actual flujo de la radiacin solar, siendo muy interesante que el porcentaje de radiacin que llega al suelo terrestre es alrededor del 55%, es decir, se pierde aproximadamente la mitad de la intensidad de radiacin antes de llegar a los paneles solares.

Figura 2: Flujo de radiacin solar en la Tierra[4]2.3.- Clasificacin por componentesLas clulas de silicio de los paneles solares usados ms comnmente se pueden dividir en los siguientes 3 grupos[5]:1. Silicio mono cristalino, constituidos por un nico cristal de silicio, de color azul oscuro.2. Silicio poli cristalino, constituidos por un conjunto de cristales de silicio, de rendimiento algo inferior a los del grupo 1. Su color es un azul ms intenso.3. Silicio amorfo, las menos eficientes pero al mismo tiempo las mismo tiempo las menos costosas, usadas en aplicaciones como relojes y calculadoras. 2.4.- Funcionamiento y Esquema paneles solaresEl funcionamiento bsico de los paneles solares se expresa en la Figura 3, siendo estos ocupados desde pequeos usos como la alimentacin de microelectrnica, uso particular domiciliario e industrial hasta grandes centrales generadoras. Como vemos en la Figura 3, la radiacin solar es captada por los paneles solares que generan corriente elctrica continua. El siguiente paso en un controlador de la carga para luego ser almacenado en bateras para su uso en forma continua y tambin pasa por un inversor para su uso en alterna.

Figura 3: Esquema funcionamiento paneles solares[6]2.5.-Aplicaciones paneles solaresDentro de los usos que han tenido los paneles solares se encuentran los siguientes[7]: 1. Centrales conectadas a red para suministro elctrico.2. Sistemas de autoconsumo fotovoltaico.3. Electrificacin de pueblos en reas remotas (electrificacin rural).4. Suministro elctrico de instalaciones mdicas en reas rurales.5. Corriente elctrica para viviendas aisladas de la red elctrica.6. Sistemas de comunicaciones de emergencia.7. Estaciones repetidoras de microondas y de radio.8. Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.9. Faros, boyas y balizas de navegacin martima.10. Bombeo para sistemas de riego, agua potable en reas rurales y abrevaderos para el ganado.11. Balizamiento para proteccin aeronutica.12. Sistemas de proteccin catdica.13. Sistemas de desalinizacin.14. Vehculos de recreo.15. Sealizacin ferroviaria.16. Sistemas de carga para los acumuladores de barcos.17. Postes de SOS (Telfonos de emergencia en carretera).18. Parqumetros.19. Recarga de vehculos elctricos.3.- Referencia Histrica Como sealamos en el apartado anterior, los paneles solares se basan en el proceso fsico del efecto fotovoltaico, el cual fue descubierto por el fsico francs Edmund Becquerel mientras realizaba experimentos con una pila sumergida en una sustancia electroltica, donde la pila aumentaba su electricidad cuando era expuesta a radiacin solar.3.1.- Primeras aplicaciones Luego del descubrimiento del cientfico francs, a fines del siglo XIX, se descubre la fotoconductividad del selenio, para que en 1941 se construya la primera celda fotovoltaica de selenio con una eficiencia de aproximadamente 1%. En 1955 la compaa Western Electric fue la primera empresa en el mundo en comercializar celdas solares. Debido a que la radiacin en el espacio es mucho mayor, estas celdas de baja eficiencia fueron usadas para alimentar satlites y estaciones espaciales, donde en 1858 se lanz el primer satlite que us tecnologa de celdas solares, llamado Vanguard 1 de origen norteamericano, el cual es actualmente el satlite ms antiguo en el espacio. Lo sigui en 1962 el Telstar el cual fue el primer satlite de comunicaciones equipado con clulas solares, logrando proporcionar 14 [W] de potencia. En 1971 las estaciones espaciales de orinen sovitico participantes del programa Salyut fueron equipadas con esta tecnologa.En la dcada de 1970, incentivados por la crisis del petrleo, la NASA y el Departamento de Energa de los Estados Unidos, iniciaron un estudio sustancial en el concepto de energa solar para abastecer el consumo energtico terrestre a travs de satlites en el espacio. En 1979 se propuso una flota de satlites que suministraran entre 5 a 10 [GW] de potencia, sin embargo en 1981 fue desechada debido al alto coste que significaba la construccin de estos satlites.Las primeras centrales fotovoltaicas de generacin de energa fueron desarrolladas a comienzos de la dcada de 1980, con un alto porcentaje construido en los Estados Unidos.Para la dcada de los 90, ms pases comenzaron a generar electricidad con esta tecnologa, dentro de estos se encontraban Japn, Espaa, Alemania, Italia, entre otros, destacando la participacin de China que para el ao 1997 sobrepas a Estados Unidos logrando ser el mayor productor de energa en el mundo en base a paneles solares.En la Figura 4 se puede ver el desarrollo total de energa solar en el mundo desde principios del ao 2000 hasta finales del ao 2010, teniendo en cuenta a sus mayores participantes.

Figura 4: Produccin de energa solar al ao en el mundo3.2.- Referencia histrica de la eficiencia Durante los ltimos aos una serie de laboratorios cientficos ha trabajado en la mejora de la eficiencia de la tecnologa fotovoltaica, con el incentivo de lograr obtener un generado fotovoltaico suficientemente eficiente para ser atractivo comercialmente, en contra a los otros sistemas de generacin, como trmica en base a fsiles, elica, hidrulica, entre otros. En la Figura 5 podemos ver un grfico con el avance de la eficiencia en las celdas solares, la cual durante los ltimos aos ha mejorado considerablemente y se puede ver que en el 2010 ya se cuentan con celdas de una eficiencia cercana al 41,1%.

Figura 5: Avance en el porcentaje de eficiencia de las celdas solares a travs del tiempo[8] Se espera que en unos aos ms, se logren eficiencias tales que se aproveche ms de la mitad de la energa de radiacin solar que llega a los paneles, de manera de mejorar los retornos econmicos y hacer que la tecnologa solar sea mucho ms atractiva.3.3.- Referencia histrica de los costos de produccin En relacin a los costos, es prctico considerar el costo nivelado de la energa (LCE o LOEC), que es el costo total del proyecto integrado a lo largo de toda vida til, dividido en la energa que este provee durante el mismo periodo total de tiempo, o en otras palabras, es el precio al cual la energa tiene que ser generada para que el proyecto sea rentable. Su formula se detalla a continuacin:

Donde, LEC = costo nivelado de la energa = Gastos en inversin durante el ao t = Gastos en operacin y mantenimiento durante el ao t = Gastos en combustible durante el ao t = Generacin elctrica en el ao t r = tasa de descuento n = vida til de la instalacin Es importante recalcar que el mayor aporte al ndice esta dado por la inversin en el panel en el caso de las plantas fotovoltaicas, en detrimento de los otros costos asociados a la inversin como las estructuras, y ms an, por sobre los de operacin y mantenimiento, sin si quiera mencionar el combustible que no tiene costo. La tasa de descuento apropiada para los proyectos fotovoltaicos segn la Agencia Internacional de la Energa[9] es igual a 10% y la vida til flucta generalmente entre 20 y 25 aos, dependiendo de la calidad de los paneles principalmente.Para esto, es importante considerar la razn de aprendizaje que ha ido teniendo histricamente esta tecnologa (los paneles), la cual ha rondado entre el 11 y 26 %, con una tasa de progreso medio del 80% y, en consecuencia, una tasa media histrica de aprendizaje del 20%. Lo anterior se traduce a una reduccin de 20% en el precio por cada duplicacin acumulada de venta.[10]En la Figura 6, se ejemplifica con los paneles de teluro de cadmio y paneles cristalinos, siendo los primeros inherentemente ms baratos. Se grafica el costo por modulo v/s cantidad acumulada en escala logartmica. No queda claro si del grafico si es que los precios de los paneles cristalinos alcanzarn a los de teluro de cadmio, aunque es importante sealar que el grafico no incluye la dimensin del tiempo, ya que los valores dependen de la cantidad producida.Figura 6: Costo por modulo segn cantidad acumuladaLa pregunta que puede surgir de lo anterior es si es que los paneles cristalinos pueden seguir sosteniendo las trridas ganancias recientes o si es que esto se debi principalmente a la superabundancia de los paneles de policristalino. La respuesta recae en que las reducciones de precio probablemente seguirn en curso, pero no con variaciones tan abruptas como las que hasta ahora se han experimentado. Esto implica que ambas curvas se mantendrn paralelas por lo menos por algn tiempo. Sin embargo, si los niveles de produccin de paneles de silicona se mantienen considerablemente por sobre los de cadmio, los precios se podran igualar manteniendo la pendiente de ambas (cada) curva. En modo de referencia, ha habido a duras penas 98000 mega watts de generacin fotovoltaica instalada en todo del mundo, hecho que trasciende a una competencia y rivalidad de reduccin de precios. Con menor impacto, pero no despreciable, los inversores presenten el segundo costo ms preponderante dentro del LEC. Estos han tenido una tasa de aprendizaje del ~10%, mientras que para los dems componentes del sistema, tales como estructuras por ejemplo, ha habido una tasa de aprendizaje del 19 al 22 % aproximadamente. La ubicacin del proyecto no deja de ser un factor influente tampoco, en conjunto con los esquemas de ayuda, subvenciones o financiamientos que se les d al proyecto, en la medida en que el costo de instalacin del proyecto depende de estos. A continuacin se muestra en la Figura 7 se muestra los valores de LCE para distintas tecnologas y sus proyecciones en el tiempo. Comparar por LCE es la manera ms justa de tener referencias y poder contrastar entre los costos de tecnologas. El LCE para peakers[11] de gas natural se encuentra con $ 0.18, para generacin nuclear $ 0.1, carbn $ 0.08 y gas natural $ 0.064, todos valores en EE.UU, segn la CEC[12]. El precio para el 2010 es equivalente a $0.15 [13]

Figura 7: Valores de LCE para distintas tecnologas segn el tiempoSe presume que lo ms probable es que los costos nivelados de la energa fotovoltaica vallan decreciendo a una tasa del 15% anual, lo que implica que para el 2015 estar alcanzando los precios del gas natural ($ 0.67). Desde un punto de vista menos agresivo, pensando en que los precios disminuirn a 10% anual, se estara alcanzando el precio del gas natural para el 2018, y con un juicio ms pesimista, se alcanzara al gas para el 2022 con una reduccin del 7% anual.En cuanto al costo de produccin solar, vemos en la Figura 8, que durante los aos ha sido constante el aumento de la eficiencia por lo que los costos medios se han visto sustancialmente reducidos, bajando desde los 22 dlares por watt producido hasta menos de 3 dlares en el ao 2009.

Figura 8: Precio de celda fotovoltaica a travs del tiempo[14]Como se ve en la Figura 8, los precios de los paneles han cado en un factor de 100% en los ltimos 35 aos. La razn del incremento entre el 2005 y 2008 se debi a la escases de la policristalino durante estos aos[15]. La gran cada de precio del 2009 fue provocada por la sobreproduccin que ocurro durante este tiempo[16].Se puede ver claramente un gran avance en cuanto al costo por unidad de produccin de energa elctrica (que se traduce al precio), considerando que los costos de energa elctrica de otras tecnologas ms antiguas no han logrado mejorar sustancialmente esta relacin. Es importante ver cmo es que ha ido disminuyendo dramticamente el precio, pero cmo es que se ha ido produciendo esto? Y, a qu orden corresponden los cambios y sus tasas? Habr algn parecido a la ley de Moore?Para revelar los cambios que han ido continuamente experimentando los precios asumimos en primera instancia que la curva corresponde a una cada exponencial, cosa que se debera confirmar al cambiar el grafico a una escala logartmica, que se muestra en la Figura 9.

Figura 9: Desplome del costo de la energa solar fotovoltaica Es evidente que con esta escala el decremento de los costos sigue una tendencia lineal, con algunas desviaciones aceptables, pero siempre siguiendo una reduccin contina equivalente a un 7% anual en USD$/W. Ms an, los datos anteriores del 2010 sugieren un adelanto a esta regresin en un 30% debido a la cada que estaban experimentando. Visto de otra manera, se puede graficar la potencia que se puede obtener con $ 100 a travs del tiempo, grfico que se puede observar en la Figura 10.

Figura 10: Watts generados por US$ 100 en celdas fotovoltaicasLos cambios que podemos concluir de estos grficos son la directa evidencia de cmo es que se ha ido construyendo conocimiento frente a esta tecnologa y por ende como reducir los precios (o equivalentemente los costos) para obtener de ella un uso prctico y comercial. Lo anterior va muy de la mano con la eficiencia tambin, como hemos dicho en apartados anteriores. Analizando el efecto que tiene la Figura 4 referente a la evolucin de la eficiencia en los paneles solares es que en 35 aos la eficiencia ha logrado alcanzar niveles cercanos al 41%, cifra que en las etapas incipientes de esta tecnologa parecan ridculos o eran impensados. Sabemos tambin que la tecnologa thin-film ha logrado eficiencias del 20% en pruebas de laboratorio, razn que duplica las eficiencias de la mayora de los campos solares instalados en la actualidad. Estos avances se ven directamente reflejados en los cambios del precio de los paneles solares, haciendo que esta tecnologa sea cada vez ms atractiva y por ende un mercado ms dinmico y competitivo. Cabe destacar que los costos asociados a los grficos anteriores corresponden a costo del mdulo solar solo, que en relacin a los costos totales de instalacin corresponde a la mitad. Para evaluar el costo total de la instalacin tomamos los costos por energa solar en EEUU y volvemos a aplicar el escalamiento para ver las reducciones de los costos asociados a las instalaciones de los mdulos. Este efecto se puede ver en la Figura 11.

Figura 11: Costo generacin solar fotovoltaica por kWhVemos como es que los costos asociados a la instalacin (sin generacin) de los campos solares han ido afortunadamente descendiendo de la mano con el costo por tecnologa. Si se sigue dando la relacin con los grficos anteriores, para el ao 2020 el precio unitario de produccin de energa solar va a haber cado bajo el precio promedio estadounidense, que es igual a 0.12 kWh. De hecho, si se siguen dando las tnicas de aumento de precio, en especial por los combustibles fsiles, es correcto pensar que la barrera se va a alcanzar antes, incluso para el 2018. 10 aos despus, para el 2030, la energa solar probablemente cueste la mitad de lo que sale a la fecha la producida por carbn, sin embargo como veremos en un apartado posterior no es necesariamente aplicable para todos los pases, como Chile por ejemplo.Si bien el futuro se ve prometedor bajo los criterios anteriores, hay que ser cuidadoso con la naturales de las extrapolaciones y regresiones y tener en cuenta que muchas veces los procesos de este tipo tienden en el largo plaza a mantenerse estticos o lineales. No obstante, acadmicos e investigadores del rubro se mantienen optimistas con el desarrollo de las tecnologas fotovoltaicas, habiendo ya logrado paneles con costos de manufactura iguales a $1 kWh, precio muy cercano a la barrera de los $0.12 kWh.Considerando los tres apartados anteriores que relacionan la eficiencia, costos y cantidad generada, se puede ver claramente que se ha cambiado el ambiente de mercado en torno a los paneles solares y gracias a los avances tecnolgicos, los cuales han mejorado la eficiencia de las celdas, se han logrado bajar los costos y por consiguiente aumentaron los incentivos para el uso de estas tecnologas. De hecho, durante los ltimos 11 aos (desde el 2001 hasta el 2012) se ha producido un crecimiento exponencial en la cantidad de energa elctrica producida por paneles solares, duplicndose cada 2 aos, sugiriendo que si esta tendencia continua, para el 2018 la energa solar cubrira aproximadamente el 10% del consumo, logrando en el ao 2027 suministrar casi el 100% de la demanda mundial, lo que hace que esta forma de energa, muy poco invasiva para el mercado sea muy atractiva.4.- Importancia ubicacin geogrficaComo hablamos anteriormente el efecto fotovoltaico depende bsicamente de la intensidad de la radiacin que le llegan a las celdas fotovoltaicas, luego, el lugar geogrfico donde estn ubicadas es uno de los factores ms importantes en el momento de evaluar un proyecto de generacin elctrica en este segmento, ya que claramente no se tendrn los mismos retornos en lugares con radiaciones muy distintas.En la Figura 12 podemos ver un grfico de la intensidad de radiacin en el mundo, destacando con colores azules aquellos lugares del mundo donde la radiacin solar media es baja y con colores caf oscuro en donde es ms alta.

Figura 12: ndice de radiacin media mundialDel grfico anterior cabe destacar que en gran parte de Europa los ndices son bajo 180 W/m2 cuando en otros lugares como el norte de Chile y gran parte de frica y Australia los ndices de radiacin estn por sobre los 220 W/m2, siendo una zona mucho ms atractiva para generar electricidad en base a celdas solares.En los apartados siguientes seguiremos analizando esta ventaja competitiva que tiene Chile sobre el mundo en aspectos de radiacin, detallando especficamente las diferencias con el mundo.5.- Mercado de generacin solar actual en Chile5.1.- Aspectos relevantes En Chile se presenta un pequeo mercado de generacin de electricidad en base a celdas fotovoltaicas, sin embargo se puede hacer una gran diferencia entre el mercado:1. Mercado de generacin elctrica en grandes centrales2. Mercado domiciliario y pequea industria de generacin elctrica para uso particular privadoEn el trabajo de investigacin centraremos nuestro anlisis en los avances tecnolgicos de la generacin de electricidad de centrales solares de mayor escala, para la distribucin en el sistema interconectado elctrico de Chile o para grandes industrias, como la minera entre otras, por lo que dejaremos el mercado de uso particular privado a nivel domiciliario de lado.De todos modos, como se presentara en un apartado siguiente se mencionara el uso de paneles solares de forma distribuida, comentando tambin las regulaciones que deberan existir en el estado. Sin embargo los anlisis de costos sern referenciados a grandes centrales, especialmente del Sistema Interconectado del Norte Grande (SING).Antes de enfocarnos en los detalles de generacin, cabe destacar un resumen sobre la ley de generacin de energa y su avance durante los ltimos aos.Introducida en 1985, la Ley General de Servicios Elctricos (LGSE) fue la piedra angular y precursor del mercado fotovoltaico en chile, ya que promova un sistema elctrico competitivo y pionero a nivel internacional. Posteriormente, en el ao 2004, se agregaron las primeras modificaciones que apuntaban hacia las energas renovables no convencionales (ERNC). Mas en la actualidad, el 2008 con la ley para el fomento de las ERNC, se oblig a todas las empresas que tuviesen ms 200 MW de capacidad instalada a generar al menos un 5% de su inyeccin a la red en forma renovable (solar, elica, entre otras). Este porcentaje se pretende ir subiendo paulatinamente hasta el ao 2024 cuando alcance un valor igual a 10%.A todo lo anterior tenemos que sumarle el importante hecho de que Chile es uno de los pases con ms radiacin solar, como vimos en el apartado anterior, en donde poseemos miles de hectreas en el norte del pas.5.2.- Plantas de generacin fotovoltaica chilenasEn cuanto a las grandes centrales de generacin solar en Chile actualmente solo existe una, conectada al sistema de red de electricidad. El resto son pequeas y medianas instalaciones que principalmente aportan suministro de electricidad a comunidades aisladas. Adems hay algn proyecto de carcter representativo en algn edificio de la administracin o universidades. Por lo que en definitiva, la potencia fotovoltaica total instalada en Chile al da de hoy no debe de superar los 2 a 3 MW. De estos ltimos solo hablaremos del ms grande.La primera central de generacin elctrica en base a paneles solares fue Calama Solar 3, instalada el ao 2010 para comenzar su funcionamiento a fines del 2011. Esta central es de uso minero y no est conectada al SING. En la Tabla 1 podemos observar sus caractersticas y especificaciones relevantes

Tabla 1: Caractersticas y especificaciones Calama Solar 3[17] Luego se encuentra la central SPS-Huayca 1 inaugurada el 2012, las especificaciones de la central construida y funcionando se ven en la Tabla 2. Esta central es de la empresa alemana de generacin elctrica Selray en conjunto con la empresa chilena Seltec. El proyecto aprobado es de una potencia total de 30 MW el cual fue el primero en estar conectado al SING. Este proyecto se compone de 3 etapas, estando construida solo la primera de ellas. La inversin total del proyecto es de aproximadamente USD $65 millones.

Tabla 2: Caractersticas y especificaciones SPS-Huayca 1[18] Claramente esta generacin es marginal a nivel nacional, sin embargo lo interesante que se ver en los apartados siguientes son los proyectos aprobados, los proyectos por aprobar y las tecnologas nuevas.5.3.- Costos actuales de generacin elctrica en el SINGTeniendo todo lo anterior en cuenta, en cuanto a beneficios y rendimientos, y como mencionamos en un apartado anterior sobre las ventajas competitivas que presenta la ubicacin geogrfica de Chile, es fcil deducir que el plano geogrfico apto para desarrollar la energa solar fotovoltaica a nivel de central de gran capacidad con menores costos de inversin por kWh es el norte de Chile, donde tenemos mayores ndices de radiacin, bajos costos de terreno, bajos costos de construccin, transmisin y una evaluacin ambiental ms amigable socialmente, entre otros aspectos relevantes.De un estudio realizado por el Departamento de Geofsica de la Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas, U. de Chile en la ciudad de Calama, ubicada en la II regin de Antofagasta, logramos reunir los siguientes datos relevantes en cuanto a niveles de radiacin, estacionalidades y otros aspectos. En la Tabla 3 tenemos los ndices de radiacin promedios arrojados en el estudio, dependiendo de los meses del ao. Vemos claramente que en el mes de junio se presentan niveles por bajo los 5 , obteniendo buenos niveles durante los otros cuatro meses estudiados. De todos modos el promedio logrado durante el ao es sobre los 7 .

Tabla 3: ndice medio de radiacin por mesA continuacin, en la Figura 13 podemos observar los niveles de radiacin durante un da completo. Cabe destacar que a pesar de obtener picos de ms de 1,200 , existen alrededor de 10 horas diarias en donde la radiacin solar es nula, generando de esta manera los porcentajes de factor de carga menores que tiene la generacin fotovoltaica en comparacin a otras tecnologas.

Figura 13: Ciclo diario de radiacin solar horizontal en el norte de ChileDescripcin Figura 13: El punto negro indica el valor promedio. La barra roja representa el rango inter-cuartil de la distribucin de valores, es decir el rango entre el cuartil de abajo (25%) y cuartil de arriba (75%). Las lneas rojas se extienden hasta el mximo (arriba) y el mnimo (abajo) de la distribucin, sin contar los outliers (crculos) que representan valores extremos que no se consideran parte de la distribucin.Ahora, en la Figura 14 podemos observar una imagen ms ampliada de la mostrada en un apartado anterior, en donde se refleja claramente que el norte chileno presenta una radiacin muy sobre la media mundial

Figura 14: Niveles de radiacin norte grande de ChileEs interesante comparar adems con otros lugares en el mundo donde la radiacin tambin es alta, para entender la perfecta posicin geogrfica que presenta Chile en este aspecto, y la verdadera ventaja absoluta que tenemos para poder lograr ser una potencia en generacin fotovoltaica. En la Tabla 4 se toman los datos de radiacin media en los desiertos con mayor radiacin en el mundo, en donde el desierto de Atacama resulta ser el con ms altos niveles de radiacin.

Tabla 4: Niveles de radiacin desiertos del mundo[19]Vemos tambin que debido a los altos niveles de radiacin el rea necesaria para generar 3 [TW] es 20% menos que por ejemplo la necesaria para generar la misma potencia en el desierto Great Basin ubicado en Estados Unidos. Si bien es relevante realizar la comparacin con los desiertos con mayor radiacin en el mundo para efectivamente darnos cuenta de las ventajas geogrficas, es tambin muy interesante comparar con el pas lder en generacin fotovoltaica. Alemania con potencia instalada sobre 32 MW a fines del 2012, de hecho slo en el 2011, Alemania instal cerca de 7.5 GW, donde su generacin fotovoltaica produjo 18 TWh de electricidad, alrededor del 3% del total consumido en el pas.En la Figura 15 podemos ver un mapa de la radiacin solar en Alemania, donde no es difcil darse cuenta de la gran diferencia que tenemos con la potencia mundial de generacin fotovoltaica. Entonces la pregunta es porque si en Alemania, en donde los niveles de radiacin solar son menores a la mitad obtenidos en el norte de Chile, y adems tienen un costo de oportunidad por mucho mayor, se pueden realizar estos proyectos logrando tener niveles buenos de rentabilidad. La respuesta va enfocada a que en este pas el objetivo no es solo generar electricidad, si no hacerlo de la mejor manera posible para la sociedad, teniendo en cuenta los costos reales de otras tecnologas de generacin. Cabe destacar que a pesar de que en Alemania se produce alrededor del 8 % de las celdas fotovoltaicas el gasto en inversin es similar al chileno, siendo el nico pas que tiene ventajas comparativas en este mbito China, donde se produce ms del 43% de las celdas mundiales.

Figura 15: Niveles de radiacin solar en Alemania[20]En base al anlisis geogrfico anterior, es interesante analizar el actual costo de las tecnologas predominantes del SING. Los datos fueron reunidos de un estudio realizado el 2010 por el centro de Cambio Global de la Pontificia Universidad Catlica de Chile. En la Figura 16 podemos ver la distribucin de la capacidad actual de potencia instalada en el norte de Chile, donde como se ve predominan fuertemente la generacin en base a combustibles fsiles como el carbn y el gas, y la participacin actual de otros tipos de generacin es marginal. A pesar de lo anterior, es importante mencionar que este no es el plano representativo de Chile, donde en el SIC se tiene una gran participacin hidrulica.

Figura 16: distribucipin de la capacidad de potencia instalada en el SINGMs en detalle podemos ver en la Tabla 5 cul es la potencia neta total instalada por cada tipo de tecnologa y su porcentaje dentro del mercado. De todos modos, como dice el nombre esta es solo la presente en el sistema, no necesariamente son estas las tecnologas responsables de generar la electricidad el da de maana, sin embargo como se ver en un apartado siguiente los porcentajes no varan significativamente.

Tabla 5: detalle potencia instalada en SING[21]Claramente las dos tecnologas ms relevantes a estudiar en cuento a la generacin actual y sus costos de inversin, operacin, variables entre otros factores son la generacin en base a carbn y gas.5.3.1.- Centrales de Carbn.Protagonistas de producir un 47% de SING, las centrales de carbn presentan los siguientes costos estimados de tanto produccin e inversin. Tomando en cuenta la generacin en base a distintos carbones podemos observar los siguientes valores en la Tabla 6, los costos de inversin referenciados al ao 2005 y costos variables actuales. De todos modos se realiz el supuesto de que la tecnologa en las termodinmicas no ha variado extremadamente como para cambiar los costos de inversin lo suficiente.

Tabla 6: Costos y factores de la generacin elctrica en base a carbn5.3.2.- Centrales a Gas NaturalProtagonistas de no menos que el 44% de la capacidad instalada en el SING, las centrales a gas natural presentan los siguientes costos de produccin relevantes al ao 2008, detallados en la Tabla 7.

Tabla 7: Costos y factores de la generacin elctrica en base a gas.5.3.3.- Centrales Solares PVCon actualmente solo se cuenta con 1.44 MW de potencia instalada en el sistema, las centrales fotovoltaicas estn lejos de ser un agente participativo del sistema, claramente desincentivadas por el hecho de sus altos costos de inversin y el bajo factor de planta. En Tabla 8 podemos ver un resumen al ao 2008 con los factores relevantes.

Tabla 8: Costos y factores de la generacin elctrica en base a celdas fotovoltaicas.Claramente se puede ver que el costo de inversin por kW de potencia instalada para las centrales solares fotovoltaicas es casi 4 veces mayor que las trmicas a carbn y an ms para las centrales a gas natural.Sin embargo como vamos a ver en los siguientes apartados, la generacin fotovoltaica cuenta con su favor una mejora en la eficiencia lo que disminuye sus costos de inversin y mejora su factor de plata, adems de ser una generacin sin consumo especifico de gases de efecto invernadero (GEI).5.4.- Proyectos para los prximos aos Chile posee una gran lista de proyectos de generacin elctrica para los prximos aos que pretenden incorporarse al sistema de red elctrica, tanto al SIC como al SING. En la Tabla 9 vemos un resumen de todos los proyectos que existen en chile actualizados al 2 de febrero del 2013. Podemos destacar de la Tabla 10 que lamentablemente no existe ninguna central solar en construccin, sin embargo hay 3170 MW de potencia aprobados y 1828 ms por aprobar

Tabla 9: Proyectos de generacin elctrica en Chile[22]

Tabla 10: Proyectos en construccin, aprobados y en calificacin De todos modos cabe destacar que es un escenario alentador, en el que si se llevan a cabo la construccin de los proyectos aprobados, la energa solar va a tener una gran participacin en el mercado. De la tabla 11 tambin cabe destacar el elevado costo de contruccin que tienen las centrales, ya que si compramos MW de potencia v/s MMUS$ en inversin la situacin no es muy optimista, como se puede observar en la Tabla 11.

Tabla 11: Relacin de potencia v/s costo de inversin Es inmediatamente rescatable que la generacin solar actual en chile, en terminos de inversin por MW de potencia de la planta es muy alto, en comparacin con centrales hidricas por ejemplo. Sin embargo no hay que quedarse en este numero porque como se ver en los siguientes apartados se espera que las tecnologas de celdas solares mejores, los precios de generacin y construccin disminuyan, entre otros factores lo que al largo plazo har mucho ms atractivas estas centrales. Tambien hay que considerar que las centrales solares presentan muy bajas externalidades negativas y valores de residuos de CO2 practicamente despreciables, por lo que si pueden ser definitivamente ms atractivas.6.- El impacto de la generacin fotovoltaica distribuidaAntes de comentar sobre los cotos concretos, analizaremos una discusin sobre el impacto de la generacin distribuida y la regulacin de esta.6.1.- La realidad y los problemas Si bien la generacin, sobre todo a nivel radial, tiende a ser evaluada por parmetros generalizados como desempeo, eficiencia, seguridad y sustentabilidad, no es despreciable considerar el impacto que tiene en la estabilidad del sistema, en relacin a la operacin y la coordinacin centralizada de este mismo. Es por esto que en lo siguiente comentaremos como es que la inyeccin de energa por parte de plantas fotovoltaicas afecta al sistema y en qu grado es tanto benfico como perjudicial para este. Tambin se propondrn soluciones a impedimentos actuales y se evaluaran cuales son las problemticas mas preponderantes de estas conexiones. Como fue mencionado en la primera parte del estudio del MIT: The Future of the Electric Grid, se puede resumir la integracin del sistema como desglosndolo como se establece a continuacin: El sistema elctrico se compone de cuatro elementos fsicos que interactan entre s: La generacin elctrica, la transmisin de alta tensin, distribucin de bajo voltaje y el consumo. El sistema nace de grandes centrales ubicadas bastante lejos de los consumos que alimentan "step-up transformers para elevar los voltajes, a niveles entre los 23 KV hasta los 500 KV (SIC) o 345 KV (SING), que facilitan la transmisin y la llevan a niveles eficientes. Despus se tienen las subestaciones cercanas a los consumos que disminuyen los voltajes al rango de los 12 a 23 KV, aptos para su distribucin. Hasta este punto, el diseo estructural del sistema cambia de circuitos de transmisin bidireccionales a circuitos radiales alimentados desde las subestaciones. Lo anterior se ejemplifica en la Figura 17.En general, la potencia a este nivel fluye en una sola direccin, desde la subestacin al consumo. Por lo mismo, es importante recalcar que generalmente no se presentan flujos bidireccionales a este nivel de agregacin.

Figura 17: Diseo estructural del sistema Ms all de los cuatro elementos fsicos del sistema, el articulo del MIT cita otras tres fuentes (o influencias) principales para el desarrollo y gestin de la red: estructuras de operacin, regulacin y gobierno, la primera que se preocupa de proteger y controlar los 4 elementos fsicos y las ltimas dos estructuras que moldean la evolucin del sistema. En relacin a estas ltimas, y los desarrolladores de tecnologas que se incluyen en sus procesos, es importante no dejar de lado las implicancias operacionales que subyacen a la adicin de sistemas fotovoltaicos de generacin distribuida, teniendo en cuenta que su inyeccin se hace frecuentemente en el nivel de bajo voltaje, esquematizado en la figura anterior. Si bien la insercin de fuentes PV al sistema implica procesos, estndares, burocracia y por sobre todo aprobacin gubernamental, es importante tener en mente que a nivel de distribucin, el sistema no tiene problemas en cuanto a su diseo para soportar pequeas inyecciones de potencia, no obstante, se necesitaran sistemas de monitoreo, comunicacin y control ms sofisticados para soportar correctamente grandes inyecciones de PV. Lo anterior nos hace concluir en que es necesario una evolucin tanto del la tecnologa fotovoltaica y de desarrollo del sistema de la red en cuanto a control y comunicacin.6.2.- Conexin de generacin fotovoltaica: problemas y discusinDe un estudio realizado por el departamento de energa estadounidense con fines de evaluar conexiones de generacin de ERNC de alta penetracin, podemos analogar al escenario nacional las conclusiones que respectan a los problemas y opciones de incrementar la penetracin de sistemas de PV. De estas, se desprenden cuatro limitantes clave que resultan de problemas inherentes al sistema elctrico y condiciones que limitan las conexiones de PV, a saber: regulacin de voltaje, proteccin de sobre corriente, conexin a tierra e interrupcin y restauracin de servicio. Sabemos que la industria puede superar la mayora de estos problemas de la siguiente manera: mejorando las infraestructuras de control y comunicacin Implementando modificacin tanto tcticas como estratgicas al diseo estructural del sistema de distribucin.6.2.1.- Comunicacin & Control Sandia[23], en su informe sobre la estructura de la matriz norteamericana, comenta: La regulacin de voltaje, que es lograda con dispositivos de control localizados (como reguladores de voltaje y/o capacitores), es suficiente para sistemas radiales con una sola fuente de potencia, pero fallan en regular los problemas asociados con generacin distribuida cuando hay inyecciones de gran envergadura en puntos posteriores a las subestaciones. Lo anterior se ilustra en la Figura 18.

Figura 18: Ilustracin sobre ubicacin de la central fotovoltaica dentro de la estructura del sistemaEn la Figura 18a se esquematiza la conexin de una planta PV cercana al regulador de voltaje ubicado aguas arriba, controlado con compensacin de line-drop. Como se aprecia, esto puede resultar en una baja de voltaje al final de la lnea. Por otro lado, en la Figura 18b se ve como una conexin al final de la lnea puede traducirse en un aumento significativo del voltaje en ese punto. ANSI Range A es el nivel mnimo de voltaje segn estndares Americanos que varan de acuerdo a parmetros de la lnea[24].Adems de lo anterior, en el informe se mencionan otras observaciones con respecto a la necesidad de mejorar la comunicacin y control, tales como que la poca infraestructura instalada no ayuda al proceso de restauracin del sistema despus de habida una falla o a la informacin de consumidores para poder reaccionar frente a contingencias en el sistema o cambios en los precios de la energa. Lo ltimo para consumidores no regulados en el caso Chileno. Dado lo anterior, se necesita tener sistemas de control ms centralizados para generaciones distribuidas.6.2.2.- Proteccin de SobrecorrienteEntre muchos existe la opinin general que la introduccin de plantas PV introduce nuevas fuentes de corrientes de falla, que en consecuencia, pueden cambiar el sentido del flujo de potencia, agregando nuevas trayectorias para estas corrientes, mayores magnitudes y/o re direccionando las corrientes de secuencia cero en formas que pueden ser problemticas para los sistemas de proteccin elctrica que se mantienen en las lneas, esto porque estn organizados y acomodados de manera que reaccionen frente a un sistema bsicamente radial. De hecho, se piensa que las protecciones podran dispararse intempestivamente debido a las nuevas trayectorias de corrientes o que los interruptores se disparen despus que los fusibles, cosa que se pretende que sea al revs.Dicho de otra forma, se estipula que la configuracin del sistema elctrico ante contingencias no es solidaria, en primera instancia, con cambios en la esquemtica de distribucin, ya que su formulacin y arquitectura no responden ante eventualidades para grandes flujos bidireccionales en la red. Si bien lo anterior es en gran medida cierto, es posible que se argumenten puntos que debido a la naturaleza de la generacin fotovoltaica no son necesariamente acertados. Aunque est claro que para sistemas PV de gran injerencia falta un largo camino por recorrer con respecto a los sistemas de comunicacin y control, es indispensable sealar que a diferencia de un alternador convencional, que puede generar corrientes de falla de hasta 10 veces la nominal, la planta PV puede generar corrientes tan solo un poco superiores a las de carga nominal y tan solo por un periodo reducido de tiempo, antes de apagarse. Esto podra llevar a pensar que las preocupaciones por las protecciones de sobrecorriente estn, a lo menos, poco maduradas. Ms an, las corrientes bidireccionales en el sistema de distribucin suceden principalmente cuando la planta PV (siempre en generacin distribuida) genera un porcentaje significativo de la potencia entregada a la red y esta es devuelta a la barra de la subestacin. Por ejemplo, es fcil pensar que esto suceda en un fro y soleado da de semana cuando los consumidores estn fuera de las casas. Sin embargo, las protecciones de los sistemas de alimentacin normalmente solo se basan en la magnitud de la corriente, con fusibles protegiendo los circuitos que en adelante derivan y deteccin de sobrecorriente controlando los interruptores de la subestacin. La direccin de la potencia no debera ser un problema ya que el sentido de la corriente no tendra por qu causar problemas en el sistema mientras se mantenga la temperatura dentro de los rangos aceptables.6.2.3.- Conexin a tierra

La ventaja de la generacin PV en este aspecto es que, a diferencia de lo complicado que es para los generadores de induccin distribuidos (y otros tambin), lo limitada que es la corriente de salida de los invertidores de las plantas y la alta impedancia de conexin que estos tienen, hace que no sea una preocupacin mayor la puesta a tierra de la generadora.6.3.- Desventajas de los sistemas fotovoltaicos: problemas y discusin Mas all de lo anterior, hay inconvenientes inherentes a la conexin de los sistemas PV, dado que en su sinergia con la operacin y adhesin al sistema, hay caractersticas sistemticas de su funcionamiento que se tienen que tener presente, a saber: Es una fuente intermitente de energa, depende de la energa solar recibida en la localidad, fenmeno que puede fluctuar considerablemente a travs del tiempo. Los sistemas fotovoltaicos convencionales, i.e la mayora, funcionan con factor de potencia unitario, generacin que se desprende de las necesidades de reactivos por parte de la red. En caso de islamiento[25] imprevisto, es requerido por estndares de interconexin que la planta PV deje se desconecte de la red, dejando de entregar potencia cuando ms le es requerida.A grandes rasgos, los problemas anteriormente presentados son todos solucionados con una mayor tecnologa y eficiencia, sobre todo en cuanto a seguridad y respuesta, de parte de los invertidores a la salida de estas terminales. No obstante, es tambin posible cuestionar la trascendencia de los argumentos anteriores de la siguiente manera:6.3.1.- Variabilidad La variabilidad inevitable que el operador del sistema tiene que enfrentar cuando hay generacin inherentemente variable, como lo es la fotovoltaica que vara dependiendo de condiciones no controlables, equivale a la demanda total menos la cantidad generada por este tipo de generacin. Esto contribuye a una mayor incertidumbre en la respuesta que el sistema tiene que adoptar a travs del tiempo para cumplir con la paridad de oferta y demanda que se tiene que estar cumpliendo en todo instante. No obstante, se pueden abordar los potenciales problemas de la conexin de recursos de energa variable (VER)[26] simplemente agregando mas de los mismo a la red. En palabras del estudio del MIT anteriormente nombrado:Agregando un conjunto de VERs geogrficamente distribuidos, cambios instantneos en la generacin individual de cada uno de estos recursos, se compensa con la lenta en la variacin de la generacin del mismo recurso a nivel agregado6.3.2.- El factor de potencia Como se sabe, cuando la carga supera la generacin la frecuencia disminuye, por efectos de la toma de energa cintica de los generadores, y la cuando la generacin es mayor, la frecuencia aumenta. En el caso del incumplimiento de la paridad entre potencias activas y reactivas, es el voltaje en la barra, o equivalentemente en la red, el que cambia. Si bien se regula bajo estatutos legales un requerimiento de cota inferior para el factor de potencia de los consumos no regulados, es un problema para reas en donde el factor de potencia de los consumos, pudiendo estos ser regulados tambin, no tienden al valor unitario. Aunque la inyeccin de reactivos por parte de los grandes consumidores mejora los factores, los invertidores de las plantas PV, en su mayora, solo entregan potencia activa (fp =1), lo que puede traducirse a un problema de regulacin de red si es que no se toman las medidas preventivas. 6.3.3.- Islanding De las normas y estndares dados por IEEE 929, UL 1741-2010 e IEE 1547-2003 se desprende, a grandes rasgos, lo siguiente: Si la red se vuelve inestable, se deben desconectar de la red los generadores distribuidos independientes para que el operador del sistema pueda solucionar el problema. De lo contrario queda la planta, en lo que respecta a este tema, la fotovoltaica, abasteciendo la red por s sola, formando una isla de consumos abastecidos, de ah el nombre del concepto. Se puede pensar que con el tiempo, y si es que la generacin distribuida logra un impacto ms trascendente, ser innecesario tales medidas de seguridad ya que los operadores del sistema dependern de estas fuentes para soportar los peaks se demanda. Por lo tanto, en tal escenario, los operadores no podran estar desconectando y botando todas las fuentes fotovoltaicas debido a disturbios en otros puntos de la lnea.6.4.- Porque la generacin fotovoltaica ser la solucin en el futuro Es innegable que a travs del tiempo, los operadores del sistema se ven enfrentados a nuevos desafos, algunos de estos productos de la adhesin de generacin distribuida a la red. Estos desafos, confrontados o no, tienen el potencial de afectar la confiabilidad y estabilidad del sistema, perturbando, por ejemplo, la regulacin de voltaje en barras con fuertes demandas, calidad de servicio, perdidas por grandes distancias entre generadores y consumos y la necesidad de satisfacer demandas que tienden a incrementar, sobre todo por la inclinacin social a reducir emisiones de carbn, con el eventual uso de autos elctricos o viajar en metro por ejemplo. Afortunadamente, el fuerte y firme paso con que las tecnologas de generacin elctrica van evolucionando, permite disponer de dispositivos de potencia electrnicos que ofrecen soluciones frente a lo comentado anteriormente. Tal es el caso de los invertidores por ejemplo, que usados ampliamente por las plantas fotovoltaicas, brindan respuesta a los problemas adems de mejorar la comunicacin para satisfacer de manera ms oportuna a los consumidores.6.4.1.- En relacin a la regulacin de voltaje De acuerdo a estandartes de la industria, se espera que a lo largo de la lnea de alimentacin principal de la red de distribucin, el voltaje no vare ms de 5% del nominal. Lo anterior se logra en la prctica empleando transformadores load-tap-changing y/o agregando bancos de capacitores distribuidos estratgicamente. Se espera que en un futuro cercano, con la aprobacin de la enmienda IEEE 1547, se permita a los invertidores de las plantas fotovoltaicas regular el voltaje de servicio en coordinacin con el operador del sistema. En la actualidad, muchos invertidores en el mercado son capaces de producir o absorber potencia reactiva segn se requiera, hecho que es un potencial beneficio para la red, y en particular para el operador de esta misma, ya que estos dispositivos logran el aumento o disminucin de potencia reactiva ms eficientemente que los capacitores. Una importante consecuencia de lo anterior es que, adems, sirve este efecto para mitigar la variabilidad del sistema, en el sentido que si la planta fotovoltaica deja baja su inyeccin porque de repente el da se nubla, el invertidor puede aumentar o disminuir su potencia activa para mantener el voltaje constante.6.4.2.- En relacin a la calidad de la potencia(o servicio) entregada Dentro de los consumos, existen aparatos, como hornos de induccin o motores elctricos al encenderse, que eventualmente pueden causar perturbaciones en el voltaje. Mientras que los bancos de capacitores o los transformadores con tap no pueden hacer frente oportunamente ante estas variaciones, los invertidores tienen la gracia de poder actuar instantneamente cuando suceden variaciones as. Es as, como es que los invertidores pueden reaccionar ms rpidamente que cualquier recurso despachable que tenga el operador del sistema (en general), lo que en ltima instancia mejora el funcionamiento y confiabilidad de la red.6.4.3.- Control dinmico A diferencia de los primeros tipos de invertidores, en la actualidad estos dispositivos permiten que el operador del sistema pueda manejar tanto separada o conjuntamente las potencias de salida de cada granja elctrica, casi de la misma forma en que se controla un generador convencional. Lo anterior sirve para controlar el ramp-rate[27], reducciones en la potencia requerida y ajustes de control de voltaje por sobre o bajo lo configurado. En relacin a lo anterior, podra marcar la diferencia para plantas que se les niega la adhesin a la red debido a que durante pocas del ao puede haber sobrecarga de la misma, ya que con los invertidores se puede controlar la inyeccin de potencia de acuerdo a las caractersticas instantneas de la demanda.7.- Variacin tecnologas celdas fotovoltaicasComo vimos en el primer apartado, la tecnologa de la generacin fotovoltaica ha evolucionado notablemente durante los aos, en cuanto a eficiencia, componentes, ingeniera estructural, entre otros. Todas estas evoluciones estn enfocadas bsicamente a lograr ms electricidad siendo ms ptimos.Tomando en cuenta la Figura 19 es relevante analizas si la eficiencia de las celdas fotovoltaicas seguirn avanzando en eficiencia, o simplemente se estancaran. Hasta el da de hoy, comparativamente hablando, la energa solar fotovoltaica no se ha beneficiado de grandes inversiones en investigacin y, dado el bajo rendimiento actual de la tecnologa, hay grandes oportunidades de mejora.Un avance significativo en la eficiencia solar ser posible si el inters por la tecnologa repercute en un aumento de las inversiones para aumentar la eficiencia de conversin de las clulas fotoelctricas, que raramente supera el 30%.Los componentes usados generalmente son, como dijimos en un apartado anterior, el silicio en tres categoras y al arseniuro de galio, siendo este ltimo ms eficiente logrando paneles solares con ms de 34% de eficiencia para produccin en serie, lo que indica una mejora en las tecnologas.

Figura 19: Silicio Poli cristalino y grfico de variacin del precio por kiloEl precio del silicio usado para la mayor parte de los paneles tuvo una breve tendencia al alza en 2008, lo que hizo que los fabricantes comenzaran a utilizar otros materiales y paneles de silicio ms delgados para bajar los costes de produccin. Debido a economas de escala tanto de las celdas como del kilo de silicio en s, ocupado en los circuitos elctricos de casi todos los circuitos elctricos actuales, los paneles solares se hacen menos costosos segn se usen y fabriquen ms. A medida que ha aumentado la produccin, los precios han continuado bajando y todas las previsiones indican que lo seguirn haciendo en los prximos aos, como podemos ver en el grfico anterior.En cuanto a los paneles solares con arseniuro de galio, a pesar de ser ms eficientes son mucho ms costosos y no poseen las economas de escalas que el silicio s, lo que ha generado que una disminucin en su precio ha sido ms bien marginal. De todos modos son usados en paneles solares de satlites aprovechando los presupuestos altos y le necesidad de componentes seguros, estables y eficientes.

Figura 20: Paneles solares con componentes de arseniuro de galio[28]En cuanto a la ingeniera estructural se ha avanzado mucho, logrando ocupar distintas plataformas que aprovechen la luz de una manera ms eficiente pero ms an la forma de los paneles mismos.En Japn lder en tecnologa fotovoltaica se ha desarrollado unas nuevas celdas solares con forma esfrica y minsculo tamao entre 1 y 1,5 mm de dimetro, a diferencia de las celdas planas tradicionales de 72 mm. En la Figura 21 vemos su estructura la cual es esfrica, de modo de lograr captar la radiacin solar reflejada como difusa. A pesar de que estn enfocados en uso domiciliario y pequea electrnica representan un gran avance aumentando la eficiencia y tambin hay que tener en cuenta que existe un ahorro en plataformas dinmicas que tienen como funcin seguir al sol mediante un control automtico.

Figura 21: Panales solares con estructura esfrica[29]Finalmente, en Europa, especficamente Alemania, Francia y Espaa, en conjunto con Estados Unidos, Japn y China, se realizan una extensa investigacin para lograr paneles solares de alta eficiencia a un bajo costo, de manera que puedan competir sin presencia de inversiones estatales contra otros medios de generacin de energa elctrica. Como vimos en el grfico de la Figura 4 encontrbamos eficiencias de ms de 40%, sin embargo estas celdas solares an no son reproducidas en serie pero todo parece indicar que es el futuro de la tecnologa solar. Detallando un poco ms lo anterior, estas celdas solares estn compuestas de clulas solares de multiunin las cuales en el fondo poseen ms de una unin p-n. Lo ms destacable es que a nivel laboratorio, las uniones normales p-n desarrolladas tienen una eficiencia terica mxima de 34% cuando las multiuniones p-n lograran llegar a una eficiencia terica de 87%, lo que refleja un aumento considerable en eficiencia. Actualmente empresas mundiales como AMONIX, con la sustitucin de las clulas solares de silicio por estas clulas multiunin y la instalacin de los mdulos en sistemas de seguimiento de doble eje, los sistemas CPV (celdas fotovoltaicas) de Amonix han logrado obtener la mxima produccin de energa de paneles de produccin a gran escala, llegando al 41%[30].Para finalizar lo anterior es altamente relevante, porque como hemos dicho un aumento en la eficiencia va de la mano con una gran disminucin en los precios, lo que hace que el mercado de celdas solares sea ms atractivo y aumente su economa de escala, logrando generar ms oferta para la gran demanda actual, que en el fondo nos llevara a un precio de equilibrio menor.Tambin ha aumentado la investigacin sobre las distintas tecnologas de paneles fotovoltaicos, como vemos en la Figura 22, esto tambin nos indica que las mejoras en la tecnologa de los paneles solares van a seguir aumentando durante los aos.

Figura 22: Numero de publicaciones por ao a travs del tiempoEn relacin a lo anterior, en la actualidad hay dos grandes laboratorios que estn trabajando en las celdas solares con multiuniones, mejorando sustancialmente su eficiencia y tratando de llegar al mximo terico. Estas empresas son Spectrolab y EMCore, unindose SolFocus que trabaja con la tecnologa de celdas de concentracin alta, sin embargo no han logrado resultados tan significativos. Lo que se espera para el futuro en cuanto a tecnologas se puede apreciar en la Figura 23 en donde comparamos niveles de eficiencia con niveles de costos, donde los laboratorios estn enfocados en los materiales de 3era generacin los cuales deben mantener la actual eficiencia (sobre 45%) pero lograr ser producidos a un bajo costo.

Figura 23: Grfico de componentes de celdas comparando eficiencia y costos de produccin.[31] Finalmente, lo que nos interesa saber es la proyeccin esperada en concreto de la eficiencia en los paneles solares. Teniendo en cuenta que el gran porcentaje de centrales solares tiene una eficiencia de alrededor del 25%, y donde actualmente se estn vendiendo celdas del orden de 30% para la produccin a gran escala, esperamos en los prximos aos y gracias a las multiuniones p-n llegar a valores cercanos del 40%, para en un futuro cercano sobrepasar esta barrera y tener a disposicin de mercado paneles solares de una eficiencia sobre 42%, lo cual significa un aumento de 68% en comparacin con la actual eficiencia.

Figura 24: Eficiencia proyectada en junturas multiunin p-n[32]8.- Mercado de generacin solar 8.1.- Mercado actual internacional A continuacin en la Tabla 12 se lista las principales plantas de generacin fotovoltaica a nivel mundial sobre los 50 MW.

Tabla 12: Grandes centrales de generacin fotovoltaica a nivel mundial Cabe notar la fuerte presencia de Alemania que, si bien est expuesta a una menor radiacin en relacin a pases que producen tales cantidades de potencia, logra posicionarse debido a su categrica tecnologa y el desarrollo de la misma. A continuacin se describen brevemente las principales 10 (sobre 100 MW): Agua caliente Solar Proyect: Instalada en Arizona, EEUU, cubre un rea de 9712464 m2 y se espera produzca 397 MW para el 2014, cuando finalice su construccin. La planta tuvo un costo aproximado de $US 1800 millones y opera desde el 2011 con un factor de planta igual a 24.6, huella de carbn equivalente a 220.000 ton de CO2 por ao. Charanka Solar Park: Ubicada en Patan, India, dentro del parque Gujarat, incluye 17 proyectos independientes de generacin que, al estar todos completos para el 2014, sumaran una generacin igual a 605 MW. Con un presupuesto de US$280 millones, se construy sobre un rea de 2000 hectreas y opera con factor de planta igual a 0.3 Golmud Solar Park: Tiene una capacidad instalada de 200 MW con costos de construccin iguales a $US 3260 millones. Se ubica en la provincia de Qinghai, China, y se espera que anualmente genere 317.2 GW Mesquite Solar Proyect: Si bien hasta la fecha genera 150 MW, se espera que genere 700 MW al trmino de su construccin el presente ao. Con ms de 800,000 paneles, se instala sobre una superficie de ms de 4000 acres y una ubicacin que cuenta estadsticamente con 330 das soleados al ao. Neuhardenberg Solar Park: Con un costo de US$ 365 millones, cuenta con ms de 600,000 paneles solares para contar con una capacidad instalada de 145 MW en un rea de 240 hectreas. Es el parque solar ms grande de Europa el cual logra reducir hasta 12,700 toneladas de CO2 al ao. Templin Solar Park: Con 1,500,000 mdulos y emplazado en una superficie de 214 hectreas, esta central tiene capacidad para producir 128.48 MW hasta la fecha, fraccin de los 397 MW que tendr de capacidad cuando se termine de construir el 2014. Toul-Rosires Solar Park: Tiene capacidad instalada de 155 MW y compuesto por 3 proyectos independientes de 55, 36 y 24 MW cada uno. Cuenta en total con 1.5 millones de paneles instalados en 367 hectreas y se requiri una inversin aproximada de US$ 10.3 millones. Perovo Solar Park: Construida en tan solo 7 meses, es la cuarta planta ms grande del mundo. Emplazada en 200 hectreas con 440,000 paneles solares, produce anualmente 135.5 GWh. Este campo solar reemplazar la emisin de 109,000 toneladas de CO2 al ao. Si costo aproximado asciende a US$ 387 MM. Es importante recalcar que en el caso de las plantas Estadounidenses ha sido posible, o por lo menos facilitado en gran medida, la construccin de estas centrales debido al impulso con que el gobierno fomento estos proyectos bajo la iniciativa de las leyes: Title XVII Section 1703 and Section 1705 loan guarantee programs, and the Advanced Technology Vehicle Manufacturing (ATVM) loan program.8.2.- Mercado internacional esperado

A continuacion se detalla un compendio de informacin sobre como se espera que evolucione el mercado, participacion y desarrollo de la generacion fotovoltaica. 8.2.1.- La evolucin por sector

Figura 25: Evolucin de costos de la energa fotovoltaica En la Figura 25 se ve la evolucin de los costos de la energa PV para un periodo futuro de aproximadamente 50 aos. El anlisis supone que hasta el 2020, la tecnologa fotovoltaica se centrar principalmente en industrializar la produccin masiva de energa para que despus, entre el 2020 y el 2030, se integre en gran escala a las redes elctricas. Por ltimo, desde el 2030 hasta el horizonte de anlisis, se piensa que, adems de la conexin a la red, este tipo de generacin tomara un rol ms variado, de uso domiciliario por ejemplo, logrando estabilizarse en el tiempo. Se desprende de lo anterior, que si se suceden los supuestos, para el 2050, la capacidad instalada total en el mundo ser igual a 3000 gigawatts, pudiendo entregar 4500 TWh al ao, equivalente al 11% de la produccin mundial (Figura 25). Adems de reemplazar la emisin de cerca de 2.3 10^9 toneladas de CO2 cada ao, los beneficios en trminos de seguridad y confiabilidad de servicio y desarrollo socio-econmico, sern mayores. En la primera dcada, se espera que los sistemas PV adheridos a la red reduzcan los precios en ms de 50%. Los sistemas comerciales y residenciales lograran alcanzar los valores de generacin que tendr la red[33] en muchas regiones del mundo. Ya para el 2030, los valores tpicos de generacin a gran escala con PV bajarn de 0.13 a 0.07 USD por kilowatt. A estas alturas, cuando la generacin fotovoltaica evolucione y pase a ser una generacin convencional[34], pasar a ser clave la integracin y manejo del recurso para con la red, as tambin como la posibilidad de almacenar energa. Por lo mismo, ser clave, tanto para la industria PV como para los operadores de los sistemas, que se logren adoptar nuevas herramientas y estrategias de para poder integrar grandes volmenes de generacin PV a redes que sean flexibles, eficientes e inteligentes, tal como se coment en el impacto de la generacin distribuida. Dado lo anterior es imperante reconocer el hecho de que hoy en da la industria, y gobiernos tambin, tienen que aumentar sus esfuerzos en inversin y desarrollo para rpidamente reducir costos y asegurar rpidas respuestas por parte de los sistemas PV, mientras que tambin se respalden nuevas tendencias en tecnologas a largo plazo. Por ltimo, segn lo proyectado por el analista [35], vale la pena notar el fuerte impulso que tendr la instalacin PV de uso residencial, probablemente fomentada por las prcticas de Net Metering que a futuro podran ser muy comunes en la mayora de los pases, y por lo barato que lograr ser esta prctica.

Figura 26: Evolucin potencia instalada8.2.2.- La evolucin en participacin

Figura 27: Evolucin en participacinEn la Figura 27 se pronostican las participaciones de cada sector econmico mundial en la generacin de energa fotovoltaica. Si bien la OECD[36] norteamericana y Asia no presentan muchas variaciones en su participacin, se ve cmo es que la OECD europea disminuye considerablemente la suya. Lo anterior se explica principalmente por los bajos niveles de radiacin que estos pases reciben, impidiendo una generacin muy preponderante bajo esta tecnologa, a pesar de que son uno de los principales desarrolladores de paneles a nivel mundial. Por otro lado, frica con el Medio Oriente, la OECD del pacfico y Latino Amrica tienen evidentes aumentos en participacin, en especial la ltima con tasa de crecimiento media de 5.27 % anual durante los 30 aos que se presentan en la figura. Esto ltimo se ve potenciado por los niveles de radiacin tambin. Se ve cmo es que existe una fuerte correlacin entre la radiacin percibida y el crecimiento en participacin, sobre todo para los pases latinoamericanos al oeste de la cordillera de los andes, como Chile, Per y Bolivia.8.2.3.- Evolucin esperada de tecnologas

Figura 28: Evolucin esperada de las tecnologas Muy de la mano con los cambios en costos y precios estn los cambios en las tecnologas, sus usos, desempeos y, por sobre todo, sus eficiencias. En la Figura 28 se muestran 6 tipos de generacin fotovoltaica, 4 de las cuales se espera hayan avances especficos y son las que se enumeran en la misma figura. Las otras dos tecnologas no enumeradas, son emergentes y alternativas y su estudio y proyeccin va ms all del foco de esta investigacin. A continuacin se listan los tipos de tecnologas y sus avances esperados en 3 aspectos fundamentales: eficiencia, aspectos de manufactura industrial e investigacin y desarrollo.Silicio cristalino2010-20152015-20202020-2030/2050

Aspiraciones en eficiencia (para mdulos comerciales)Monocristalino 21%Policristalino 17%Monocristalino 23%Policristalino 19 %Monocristalino 25%Policristalino 21%

Manufactura Industrial(Consumo de silicio)