ANALYSIS OF THE INTEGRATION OF PHOTOVOLTAIC SOLAR GENERATION AND THE ELECTRIC VEHICLE FOR A RESIDENTIAL CONSUMER ABSTRACT

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Sara Bryan
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1 ANALYSIS OF THE INTEGRATION OF PHOTOVOLTAIC SOLAR GENERATION AND THE ELECTRIC VEHICLE FOR A RESIDENTIAL CONSUMER Author: Directors: Sánchez León, Carlos Frías Marín, Pablo Rodríguez Calvo, Andrea ICAI Universidad Pontificia de Comillas ABSTRACT Introduction The framework of the project is to find a solution to gas emissions, sustainability and efficiency problems that involve the society and the energy sector [1]. As a solution, the combined use of photovoltaic panels to produce the energy at home, with the electric vehicle is proposed. The profitability of matching both of them will be therefore the objective of this project. The project is focused on domestic customers, who amount to 26 million of users. That means the majority of the Spanish inhabitants, what makes the project real and of general interest. As a method of energy production, it will be only contemplated the use of photovoltaic panels at home. No panels will be mounted on the roof of the vehicle. There will be a charging point installed at home to charge the EV vehicle, which is 100 % electric. No hybrids vehicles will be considered. Methodology In the elaboration of the project, different case studies have been analyzed. First of all, the solar irradiation is different depending on the location of the panels. That is why three different cities have been chosen, in order to embrace all considerations as possible. The three cities chosen were Santiago the Compostela (north Spain), Madrid (in the middle) and Almería (south Spain). Obviously in summer the irradiation is higher than in winter, so both seasons have been introduced as variables of study. However, despite the fact that it is possible to produce much more solar energy in summer time, the home consumption in winter time is higher. 1

2 Different types of dwellings have been also studied. Because of their different roof surface, the energy production will be also different in a flat, chalet or in a whole building. The higher is the surface available, more panels could be installed. However, there is an amount of kwh per month produced limitation. According to current Spanish regulation, it is not possible to produce much more energy than the inhabitant consumes as a regular consumer [2]. Therefore the number of panels will be fixed depending on the home consumption. Once the PV panels produce the energy, different business models can be considered: 1. Store the energy needed for the evening demand in batteries, because the electricity tariff is high, and inject the excess to the grid. 2. Consume the energy while is being produced and store the excess in batteries to use it when required. 3. Store all the energy in batteries to use it when needed. 4. Inject all the energy to the grid. Regarding the electric vehicle, different vehicles with their different features have been analysed. The average vehicle that has been taken for the study was one with a 16 kwh battery and a charging time of 6 hours. Project Results To make the project more accurate, a 24 hour consumption profile has been analyzed, where the PV production [3], the dwelling consumption and the EV charge have been represented hour per hour. With these data, it has been created some tables like the one that follows for each city, where the user can choose between the different business models: Madrid Winter Summer Number of Panels: 8 8 Panels Cost ( ): ,400 Energy Obtained (Wh) per day: 8,062 16,205 Energy Consumed (Wh) per day: 18,324 16,515 Inverter needed (W): 2,740 2,740 Inverter Cost ( ): 1,148 1,148 Business Model: Consume & storage Consume & storage Battery Needed (W): 4,165 11,774 Battery (Wh): 1,080 1,980 Number of Batteries 4 6 Batteries Cost ( ): 860 2,430 Table 1. Different elements that involve the business model Before proceeding with the profitability analysis, it has been concluded that the number of panels that should be fixed is the one needed in summer. Due to the higher irradiation in summer, the number of panels in winter time would be higher, so that production would surpass consumption in summer time. 2

Moreover, the following table shows an average monthly cost, so despite the fact that it does not show the profitability of the project, it gives an idea of which option saves more money. Figure 1.

3 Moreover, the following table shows an average monthly cost, so despite the fact that it does not show the profitability of the project, it gives an idea of which option saves more money. Figure 1. Summary table of the monthly costs in the business model of consume & storage [4][5][6]. So comparing the monthly average costs of the different methods, it has been come to the conclusion that the best option is to consume the energy while is being produced and store the excess of energy in order to use it when needed. However, if the PV retribution would return to be in force with the prices given in 2011, the best option will be to produce all the energy to the grid[6][6][2]. The different tools chosen to analyse the profitability are NPV (Net Present Value), IRR (Internal Rate of Return), ROI (Return on Investment) and Payback Period. These tools allow making the scope of the project as far as wanted. Therefore the deadline of the profitability has been established in 15 years. This duration is reasonable because of the lifecycle of the equipment and also the electric vehicle. So taking the costs obtained for consuming the energy and storing the excess, it has been analysed the profitability of the project, giving an interest rate to the project of 7%. The result obtained is clear: currently the project that has been proposed through this document is not profitable. All the tools reach the same conclusion; the result for the project is negative. However it will be interesting to see the results obtained if some of the main variables change. Conclusions As commented, in the near future the price of the electricity and the fuel is expected to increase. Moreover, the prices for the devices and the technical equipment should decrease, as well as the price difference between the electric vehicle and a regular ICE. These facts affect considerably on the profitability of the project. So making a sensitivity analysis, it has been concluded that the variation of these variables separately does not provide a positive NPV. Although the results are better for the user because the investor will lose less money, the NPV remains negative. So if separated from each other the goal still not being achieved, a combination of some of them has been done, 3

4 but even with this measure, the NPV remains negative. Lastly it has been added a rate of increase in the value of the income of each period which will increase 1% each year what seems a feasible option. And finally, it has been found two different possibilities, not far removed from reality of a near future, where the NPV turns to be positive. In the first scenario, the initial interest rate of 7% was changed to 6% in order to obtain better profitability, and the project scope is still 15 years. According to the initial investment, it has been depreciated the costs of the PV panels, batteries, inverter, charging point and the price difference between a regular ICE vehicle and an electric vehicle up to 5% of the actual costs. Moreover, the fuel price and the electric rates have also increase 5%, influencing the fuel savings and the charge of the electric vehicle rates at night. Regarding the energy obtained, the price of the electricity has increase 5% as said before; making all the energy obtained with the PV panels a way of savings on the electricity bill. Lastly, the rate of increase has been established in 1% per year. With all these variables and measures, it has been obtained a NPV>0, and therefore a profitability on this situation. Now the interest rate is again 7%, but the project scope is higher: 20 years. Regarding the cash flow variation, it has been taken the same procedure as before. However, here the NPV turns to be positive just with a variation of 1% in the fuel price, the electricity rates and the depreciation of the equipment and the EV. Moreover, the rate of increase g remains 1% in each period. So the difference in comparison with the previous result is that this scenario needs only 1% of variation in the actual prices but needs to be extended 5 more years, and the interest rate is again 7% what seems more reasonable. References [1] Real Decreto 648/2011, de 9 de mayo, por el que se regula la concesión directa de subvenciones para la adquisición de vehículos eléctricos durante 2011, en el marco del Plan de acción del Plan integral de impulso al vehículo eléctrico en España [2] Preassignment to PV retribution: Real Decreto-ley 1/2012, de 27 de enero, por el que se procede a la suspensión de los procedimientos de preasignación de retribución y a la supresión de los incentivos económicos para nuevas instalaciones de producción de energía eléctrica a partir de cogeneración, fuentes de energía renovables y residuos. [3] European Commission application: [4] Global Market Outputs for Photovoltaics [5] PV catalog and inverter price: [6] Electricity rates in Spain for 2012: PASELEGITAR [7] O. Perpiñán, E. Lorenzo, y M. A. Castro. On the calculation of energy produced by a PV grid-connected system, [8] European Commission strategy paper: N:PDF [9] CENER (Renewable Energies National Center): Photovoltaic solar Energy. 4

5 ANÁLISIS DE LA INTEGRACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Y EL VEHÍCULO ELÉCTRICO PARA UN CONSUMIDOR DOMÉSTICO Autor: Directores: Sánchez León, Carlos Frías Marín, Pablo Rodríguez Calvo, Andrea ICAI Universidad Pontificia de Comillas RESUMEN Introducción El marco general de este proyecto busca encontrar una posible solución a la emisión de gases, así como a los problemas de eficiencia y sostenibilidad que rodean a la sociedad y el sector energético[1]. Como solución se propone el uso de paneles fotovoltaicos para producir la energía en casa, junto con el uso de un vehículo eléctrico. El objetivo de este proyecto será por tanto encontrar rentabilidad al uso combinado de estas dos partes. El proyecto está enfocado a consumidores domésticos, es decir, alrededor de 26 millones de personas. Esto significa que está orientado a la mayoría de los habitantes de España, haciendo que el proyecto sea de índole real y de interés general. Como método de producción de la energía, sólo se va a contemplar el uso de paneles fotovoltaicos en casa. No se realizará un estudio sobre la opción de situarlos en el techo del vehículo eléctrico. Se instalará un punto de recarga del vehículo en casa, siendo éste 100% eléctrico. No se considerarán vehículos híbridos a lo largo del proyecto. Metodología Se han estudiado distintos perfiles con el objetivo de abarcar distintas consideraciones. En primer lugar se ha estudiado la irradiación solar es diferente en función de dónde se localicen los paneles. Por ello se han tomado tres ciudades españolas, en concreto Santiago de Compostela (norte de España), Madrid (en el centro) y Almería (en el sur), para estudiar cómo afecta la diferencia de irradiación en el proyecto. Aquí cabe tener en cuenta también la estación del año en la que se encuentre. En verano debido a que la irradiación solar es mayor, es posible producir mucha más energía con los paneles. Sin embargo, el consumo de energía en verano es menor que en invierno, lo que lleva a encontrar un punto intermedio para encontrar la solución más eficaz. Para continuar con las distintas consideraciones, se han estudiado también distintos tipos de viviendas. Los consumidores domésticos pueden vivir en diferentes viviendas, las cuales tienen a su vez distinta superficie en el tejado donde poder colocar los paneles. A priori se puede pensar que cuanto más grande sea la superficie, más paneles 5

6 se pueden instalar y con ello se podrá obtener más energía. Sin embargo existe una regulación del gobierno que limita la producción de energía a una cantidad superior a la que el individuo consume en su vivienda[2]. Por ello, la cantidad de paneles vendrá fijado en función de la cantidad de energía que se consume. Una vez que los paneles han producido la energía, hay que preguntarse qué hacer con ella. En este proyecto se han analizado cuatro modelos de negocio distintos: 1. Almacenar la energía que se produce durante el día, pero sólo aquella necesaria para el consumo de la vivienda por la tarde (ya que la tarifa eléctrica es elevada) y verter el resto a la red. 2. Consumir la energía tal cual se está produciendo y almacenar los excesos de energía producidos por los paneles en baterías para que el usuario consuma dicha energía cuando lo necesite. 3. Almacenar toda la energía producida en baterías para que el usuario la consuma según sus necesidades. 4. Verter toda la energía a la red. Respecto al vehículo eléctrico, se han analizado distintos vehículos con sus respectivas características. Se ha tomado como vehículo de estudio uno con una batería de 16 kwh y tiempo de recarga de 6 horas. Resultados Obtenidos Para ser más precisos, se ha realizado un estudio del consumo por horas, donde se tiene en cuenta la producción de los paneles[3], el consumo doméstico, y el consumo por la recarga del vehículo eléctrico. Con esta tabla horaria, es posible realizar el estudio de los distintos métodos comentados previamente de qué hacer con la energía producida. Madrid Winter Summer Number of Panels: 8 8 Panels Cost ( ): ,400 Energy Obtained (Wh) per day: 8,062 16,205 Energy Consumed (Wh) per day: 18,324 16,515 Inverter needed (W): 2,740 2,740 Inverter Cost ( ): 1,148 1,148 Business Model: Consume & storage Consume & storage Battery Needed (W): 4,165 11,774 Battery (Wh): 1,080 1,980 Number of Batteries 4 6 Batteries Cost ( ): 860 2,430 Tabla 1. Diferentes elementos de los distintos modelos de negocio. Fijando la cantidad de energía que se puede producir, se puede obtener el número de paneles así como el inversor necesario. Asimismo, en función de la opción elegida será necesario comprar un número de baterías determinado para el almacenamiento de la energía. Destacar que el número de paneles utilizado será el correspondiente a la estación de verano, debido a que la irradiación es mayor y se necesitarán menos paneles. 6

7 Si se pone el número correspondiente a invierno, en verano se produciría un sobreconsumo no permitido. Se han introducido todos los costes que influyen en el proyecto en unas tablas, y se ha realizado un análisis económico.esta tabla muestra sólo costes mensuales, y no especifica nada sobre la rentabilidad del proyecto. Sin embargo, ayuda a elegir la mejor de las cuatro opciones viendo cuál de ellas es más barata. Figure 2. Tabla de costes mensuales tomando como opción consumir y almacenar la energía [17][18][4]. Comparando los costes mensuales de las cuatro distintas opciones en los perfiles de ciudad y estación que muestra la tabla, se ha llegado a la conclusión que la mejor opción para el usuario será la de consumir la energía cuando se está produciendo y almacenar el resto en baterías. Cabe decir que si las retribuciones a la energía solar fotovoltaica siguieran vigentes, la mejor opción sería la de verter toda la energía a la red (Balance Neto). Pero como las retribuciones para nuevas instalaciones se suprimieron, se va a considerar que la mejor opción es la comentada al inicio de este párrafo. Antes de proceder con el análisis de la rentabilidad, se ha llegado a la conclusión de que el número de paneles a instalar debe ser el número de paneles necesarios en verano, dado que en invierno al haber menos irradiación se necesitarían muchos paneles para cubrir la demanda, y en verano habría que desinstalarlos para no sobrepasar el límite de energía producida. Después de este análisis, se va a proceder a estudiar la rentabilidad del proyecto. Para ello, se han tomado distintas herramientas reconocidas en el mundo financiero: el VAN (Valor Actual Neto), el TIR (Tasa Interna de Retorno), el ROI (Return on Investment) y el Payback Period. Se ha realizado un estudio de rentabilidad con cada una de estas herramientas, otorgando un alcance de 15 años al proyecto, con una tasa de interés del 7%. La duración es razonable debido a la vida útil de los componentes del proyecto (paneles, baterías, inversor, vehículo eléctrico, etc.) y el tipo de interés es el que se le suele otorgar a este tipo de proyectos. Finalmente se ha analizado la rentabilidad del proyecto con cada una de las herramientas financieras que se han descrito arriba, y el resultado es el mismo para todas: el proyecto que se ha desarrollado a lo largo del documento no es rentable. Los usuarios que decidan llevar a cabo este proyecto perderán dinero. Sin embargo, una vez llegados a este punto se han buscado posibles alternativas que hagan que el proyecto sea 7

8 rentable. Se ha llevado a cabo un análisis de sensibilidad en el que se han variado algunas de las variables que más influyen en los costes de este proyecto. Conclusiones En los próximos años se prevé que tanto el precio de la gasolina como las tarifas eléctricas aumenten. Además, a medida que el vehículo eléctrico se haga más presente en la sociedad, y teniendo en cuenta las ayudas que promueve el gobierno, la reducción del coste del vehículo, así como el abaratamiento de las tecnologías (paneles, baterías, inversor, etc.) conllevan a que poco a poco este proyecto sea rentable. Se ha variado cada una de las variables descritas (incremento del precio de la gasolina y la electricidad hasta un 5%, y una reducción en los costes de los componentes tecnológicos hasta un 10%) y se ha concluido que no se obtiene un resultado positivo variándolas por separado. Por consiguiente, se ha procedido a combinar variaciones entre ellas. El resultado se queda cerca de ser positivo, pero el usuario seguiría perdiendo dinero. Por último, se ha añadido una tasa de aumento gradual del valor de los ingresos de cada periodo. Esta tasa aumentará un 1% cada año, lo que parece que puede ser una opción real y factible. Finalmente se ha conseguido obtener dos posibles escenarios no muy alejados de la realidad de un futuro próximo, donde el usuario saldría beneficiado de realizar lo propuesto a lo largo de este proyecto. En el primer escenario, la tasa de interés se ha cambiado de 7 a 6% para obtener mejor rentabilidad, y se ha dejado el alcance del proyecto en 15 años. Respecto a la inversión inicial, se ha realizado una depreciación de los costes de hasta un 5% de paneles, baterías, inversor, punto de carga y de la diferencia de precios entre un vehículo eléctrico y uno corriente. Además, los precios de la gasolina y de la electricidad han sufrido una variación de hasta un 5%, influyendo en el ahorro de gasolina y en la recarga del vehículo, así como en las tarifas eléctricas. Por último, el índice de incremento gradual de los flujos de caja de cada período se ha fijado en 1% al año. Con todas estas variables se ha obtenido un VAN>0 y con él un escenario rentable en este proyecto. En este caso la tasa de interés vuelve a ser del 7%, sin embargo lo que varía ahora es el alcance del proyecto: 20 años. Respecto a la variación del flujo de caja inicial, se ha seguido el mismo procedimiento que antes, y la tasa de incremento gradual sigue siendo del 1% en cada período. Por lo tanto, la principal diferencia con respecto al caso anterior para obtener VAN>0 es que ahora sólo se necesita una variación del 1% en el precio de la gasolina y la electricidad, así como en la depreciación de los elementos técnicos, pero necesita extenderse la duración del proyecto cinco años más con una tasa de interés del 7%, lo cual resulta más razonable que el 6% utilizado previamente. 8

9 Referencias [10] Real Decreto 648/2011, de 9 de mayo, por el que se regula la concesión directa de subvenciones para la adquisición de vehículos eléctricos durante 2011, en el marco del Plan de acción del Plan integral de impulso al vehículo eléctrico en España [11] Real Decreto-ley 1/2012, de 27 de enero, por el que se procede a la suspensión de los procedimientos de preasignación de retribución y a la supresión de los incentivos económicos para nuevas instalaciones de producción de energía eléctrica a partir de cogeneración, fuentes de energía renovables y residuos. [12] Aplicación de la Comisión Europea para el cálculo de la energía producida: [13] Salidas del Mercado Global para energías fotovoltaicas [14] Catálogo de paneles y de inversores: [15] Tarifas eléctricas en España en 2012: PASELEGITAR [16] O. Perpiñán, E. Lorenzo, y M. A. Castro. On the calculation of energy produced by a PV grid-connected system, [17] Paper estratégico de la Comisión Europea: [18] CENER (Centro Nacional de Energías Renovables): Energía solar fotovoltaica. 9

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