Herramienta de evaluación económica de proyectos energéticos

Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:

Autores

• Manuel Villa Arrieta, Ph.D Student, UPC
• Miguel Cruz Zambrano, Enginyer de Projectes, IREC
• Jaume Salom, Group Leader d’Energia Tèrmica i Edificació, IREC
• Andreas Sumper, Group Leader de Xarxes Elèctriques, IREC

Resumen

Se presenta en esta comunicación una herramienta de evaluación económica de proyectos energéticos que funciona integrada al software de simulación dinámica de sistemas energéticos TRNSYS. Su metodología de cálculo ha sido adaptada de la metodología Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), para evaluar de forma conjunta las condiciones técnicas y económicas que afectan el desempeño de las soluciones (instalaciones energéticas) consideradas en los proyectos energéticos. La Herramienta permite identificar la mejor alternativa de inversión, desde los enfoques energético, económico o financiero, dentro de los proyectos cuyo objetivo sea la generación de energía para su comercialización, y de los que busquen la disminución del consumo energético, como los proyectos de consumo energético casi nulo de edificaciones (nZEB).

Introducción

Algunas de las limitaciones que tienen los estudios de la viabilidad de proyectos energéticos, están relacionadas con la no inclusión de la evaluación económica dentro de las simulaciones que analizan técnicamente el comportamiento de los sistemas/instalaciones energéticas consideradas como solución en estos proyectos. El procedimiento regular seguido en estas metodologías es realizar una evaluación técnica, modelada o no, del grado de afectación del comportamiento de las variables técnicas y meteorológicas en la generación o el consumo energético. Para luego, a partir de sus resultados, realizar la evaluación económica. Desvinculando así, el nexo dinámico existente entre estas variables técnicas y las variables económicas y financieras.

De igual forma, otra de las limitaciones de estos estudios, es la diferencia en la terminología de los indicadores que se calculan en los proyectos de generación de energía para su comercialización y en los proyectos de disminución del consumo energético.

Debido a esto, la estandarización de una metodología de evaluación dinámica de proyectos energéticos, que presente una solución a estas limitaciones, toma una marcada importancia. Debido a que en ésta, se estaría tomando en consideración el efecto por ejemplo, de la evolución de los precios de la energía y de la tecnología de transformación de energía, en la rentabilidad de la inversión de proyectos de esta índole.

Proyecto de creación de una herramienta de evaluación económica de proyectos energéticos

El proyecto de creación de la Herramienta se hizo en el Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (IREC), como trabajo final del Máster de Ingeniería en energía de la Universidad Politécnica de Cataluña y la Universidad de Barcelona, realizado por el autor de esta comunicación.

El planteamiento general de una herramienta de evaluación económica integrada a un software de simulación energética avanzada, fue hecho en el documento interno del IREC: Metodología interna para la presentación de estudios de viabilidad de proyectos energéticos (Santandreu, 2010).

El objetivo del proyecto fue la creación de una herramienta de aplicación general a los diferentes tipos de proyectos energéticos existentes, que funcionara integrada a un software de simulación dinámica, para evaluar conjuntamente las variables técnicas y económicas que afectan el desempeño de las instalaciones energéticas configuradas como solución en los proyectos. Su proceso se llevó a cabo con las siguientes actividades:

• Revisión de metodologías de evaluación económica y el análisis del cálculo de sus indicadores; y paralelo a esto, el análisis del funcionamiento de TRNSYS.
• Planteamiento de los problemas existentes en estas metodologías.
• Diseñar la metodología de cálculo de la Herramienta.
• Validar la metodología y el funcionamiento de la Herramienta.

Material y métodos

A continuación se hace una descripción de la base metodológica utilizada y de TRNSYS, el software al cual se integró.

Base metodológica utilizada

La metodología de cálculo de la Herramienta fue diseñada en base a la metodología de evaluación de sistemas energéticos de edificios: Energy Performance of Buildings Directive (EPBD), propuesta en la Directiva Europea 2010/31/UE, que tiene como objetivo establecer requisitos en relación con el marco común general de una metodología de cálculo de la eficiencia energética integrada de los edificios (Parlamento Europeo y Consejo, 2010). Esta metodología propone el no favorecimiento de ninguna tecnología de transformación de energía en detrimento de otra y el permitir incluir en los costes energéticos, los costes por emisiones de CO2.

El procedimiento de cálculo económico de la EPBD es un análisis de los costes previstos durante el tiempo de vida de los sistemas energéticos, que comprende: El cálculo del Coste Global como valor actual de los costes (CEN, 2007); y el Coste-Óptimo, que clasifica el Coste Global obtenido en cada una de las alternativas evaluadas, en función de la energía primaria que consumen (Comisión Europea, 2012).

Sobre éste procedimiento de cálculo se adaptó el de indicadores de tipología económica y financiera para el análisis de las inversiones en tecnologías de eficiencia energética y energías renovable (Short et. al, 1995); y el Effect-Cost-Index, cuyo objetivo es permitir identificar la mejor solución económica y medioambiental, de forma conjunta, dentro soluciones favorables dentro de los proyectos energéticos (Henning & Wiemken, 2011).

Descripción general de TRNSYS

TRNSYS (sigla en inglés de Transient System Simulation Tool) es un entorno completo y extensible para la simulación transitoria de sistemas, utilizado para simular sistemas energéticos en edificios y sistemas de energías alternativas (eólica, solar, fotovoltaica, sistemas de hidrógeno, etc.), que está basado en una arquitectura DLL para permitir adicionar y personalizar subrutinas llamadas Types (Manual TRNSYS 17, 2012).

El funcionamiento de los Types es comparable al de una “caja negra” que se alimenta de variables denominadas Inputs y Parameters para entregar Outputs. Durante el periodo de tiempo simulado, los Inputs varían y los Parameters permanecen constantes. Los Outputs son el resultado de las operaciones entre las variables, que, mediante Conexiones, pueden alimentar como Inputs a otros Types (ver Figura 1).

Resultados

El resultado del proyecto fue una herramienta llamada EATEP (sigla en inglés de Economic Assessment Tool of Energy Projects), que permite identificar la mejor alternativa de inversión planteada dentro de un proyecto energético mediante:

• La capacidad de integrar la evaluación económica a la evaluación técnica, en la simulación de las instalaciones energéticas planteadas como solución en los proyectos energéticos.
• Una única metodología de cálculo aplicable a la evaluación de dos tipos de proyectos energéticos: 1) los que tengan como objetivo la generación o distribución de energía para su comercialización, denominados EGP (Energy Generation Projects), como proyectos de energías renovables y/o no renovables, estaciones de carga de vehículos eléctricos, etc. Y 2) los que tengan como  objetivo la disminución del consumo energético, denominados EEP (Energy Efficiency Projects), como eficiencia energética en sistemas de transporte, industria y  proyectos de consumo energético casi nulo en edificaciones (nZEB).
• La posibilidad de calcular una serie de indicadores de diferentes tipologías, y tres esquemas de comparación de soluciones que permiten identificar la mejor alternativa de inversión desde los puntos de vista económico, financiero, energético y medioambiental.

La metodología de cálculo de la Herramienta y su funcionamiento se presenta a continuación.

Metodología de cálculo diseñada

La metodología de cálculo de la EATEP se basa en la determinación del desempeño económico (cálculo del valor actual de los flujos de caja esperados en cada uno de los años de un periodo de cálculo) del desempeño técnico (datos energéticos esperados a obtener en el periodo de cálculo, calculados a partir de la simulación de un Año Modelo) evaluado en las instalaciones energéticas configuradas en TRNSYS. A partir de esto, la metodología de la Herramienta permite:

• La aplicación de la EPBD en la evaluación económica de Proyectos de Eficiencia Energética (EEP), mediante la simulación dinámica de los consumos energéticos de las edificaciones y la cantidad de energía que pudieran exportar.
• El cálculo del Coste Global en la evaluación económica de Proyectos de Generación Energética (EGP), y el cálculo del indicador Ingreso Global como valor actual de los ingresos percibidos por la venta de energía en este tipo de proyectos, diseñado en base al Coste Global.
• El cálculo del Esquema de comparación Beneficio-Óptimo, que permite identificar el nivel óptimo de beneficios económicos en la evaluación de Proyectos de Generación Energética. Este esquema es propuesto en este proyecto, y ha sido diseñado en base al Coste-Óptimo de la EPBD, que es utilizado en la evaluación de EEP.
• El cálculo de indicadores económicos, financieros y energéticos a partir del cálculo de los indicadores Coste Global e Ingreso Global.
• El cálculo de un Esquema de comparación de soluciones de los EEP que clasifica la relación entre los ahorros económicos y los ahorros energéticos; y de las soluciones en los EGP, que clasifica la relación entre la diferencia entre Ingresos y Costes con los beneficio energéticos.
• El cálculo de un Esquema de comparación de soluciones de los EEP que clasifica la relación entre los ahorros económicos y las emisiones de CO2 evitadas por la energía ahorrada; y de la soluciones de los EGP, que clasifica la relación entre el beneficio económico y las emisiones de CO2 generadas por la energía exportada.
• El cálculo de un Esquema de comparación llamado Effect-Cost-Index en la evaluación de EEP y Effect-Benefit-Index en la evaluación de EGP, que se sirve para identificar la mejor solución, económica y medioambiental, entre soluciones favorables.

Esta metodología, evalúa como elementos de las instalaciones energéticas a la Energía y a los Componentes que las configuran. Estos se describen a continuación:

Energía

La Energía agrupa los datos energéticos contabilizados de la energía consumida y/o exportada de cualquier vector energético considerado (carburantes, combustibles, hidrógeno, electricidad consumida de la red, electricidad fotovoltaica, energía térmica, etc.). A partir de los cuales, es factible calcular las emisiones de CO2 y su equivalencia en términos de energía primaria.

Así mismo, a partir de los datos energéticos y en la evaluación tanto de EEP como de EGP (a excepción de los costes energéticos negativos que solo se calculan en los EEP, y los Ingresos que solo se calculan en los EGP), es factible calcular los siguientes flujos de caja:

• Costes energéticos que comprenden los costes futuros incurridos por el consumo energético, y los costes negativos futuros incurridos por los ingresos percibidos por la exportación de energía.
• Costes medioambientales incurridos por las emisiones de CO2.
• Valores (positivos o negativos) adicionales a los costes energéticos, calculados a partir de los datos energéticos de la energía consumida y/o exportada.
• Valores (positivos o negativos) adicionales contabilizados a los costes energéticos.
• Ingresos percibidos por la venta de energía.
• Ingresos percibidos por la venta de derechos de emisión de CO2.

Componentes

Son medidas utilizadas para cumplir el requerimiento energético de las instalaciones. Pueden ser la edificación en la cual funcione la instalación energética, cualquier equipo o sistema de transformación, almacenamiento o distribución de energía, medida de eficiencia energética; o cualquier otro valor económico extra que afecte a un grupo de Componentes y no a uno en particular, como subvenciones o cargos extra a la inversión de instalaciones energéticas, etc. En cada Componente es factible evaluar el valor actual de los siguientes flujos de caja:

• Costes iniciales (año cero del periodo de cálculo) incurridos en su compra.
• Costes periódicos (cualquier año del periodo de cálculo) incurridos por su sustitución.
• Valor residual, contabilizado como el coste negativo en el último año del periodo de cálculo.
• Costes de funcionamiento contabilizados en cada año del periodo de cálculo (mano de obra o mantenimiento).
• Costes adicionales a los costes de funcionamiento.

Indicadores y Esquemas de comparación

Los resultados factibles de obtener con la Herramienta están divididos en el cálculo de Indicadores y Esquemas de comparación, y varían de acuerdo al tipo de proyecto evaluado. Las Imagen 2 los presenta.

Secuencia de la metodología de cálculo

La evaluación conjunta de los desempeños técnico y económico se realiza mediante dos procedimientos principales: la evaluación horaria de un Año Modelo, y la evaluación anual de un periodo de evaluación económica, cuyos cálculos se realizan a partir de los resultados acumulados del Año Modelo, mediante el uso de factores de evolución.

Funcionamiento de la Herramienta

LA EATEP funciona dividida en dos partes que realizan cada una, una fase de la evaluación económica.

Para el cálculo de los Indicadores (primera fase de la evaluación) se han desarrollado dos Types en TRNSYS: El Type_EATEP_EEP y el Type_EATEP_EGP, el primero para la evaluación de Proyectos de Eficiencia Energética y el segundo para la evaluación de Proyectos de Generación de Energía para su comercialización. Los Types entregan resultados anuales de la Energía (Electricidad y Gas natural como vectores energéticos predefinidos y 7 vectores energéticos más que pueden ser incluidos) y de 10 Componentes.

Para el cálculo de los Esquemas de comparación (segunda fase de la evaluación) y almacenar los resultados, la EATEP funciona con dos fichas Excel.

La secuencia de resultados que se pueden obtener con la Herramienta se presenta en la Figura 3.

Discusión y conclusiones

El producto obtenido, la EATEP, fue validada tanto en su funcionamiento como en su metodología de cálculo, con la reproducción de los proyectos energéticos: Ejemplo 1 de la Norma EN 15459:2007 presentado en su Anexo E, y el proyecto presentado en el artículo “Sustainability assessment of nearly zero energy renovation of dwellings based on energy, economy and home quality indicator” (B. Risholt et. al, 2013).

Con la integración a TRNSYS de la metodología diseñada, se aprovechan las siguientes características de este software:

• La posibilidad de evaluar dinámicamente cualquier sistema energético térmico y/o eléctrico.
• La posibilidad de optimizar las variables técnicas de los sistemas energéticos, en función de variables económicas, y viceversa.
• La posibilidad de integrar TRNSYS con otros software como Sketchup, MatLab y otros.

Reconocimientos

Al IREC por permitir llevar a cabo este proyecto, y a sus funcionarios: Joana Ortiz por su apoyo con TRNSYS, Jaume Salom por su ayuda y revisión del proyecto, Andreas Sumper por la revisión del proyecto y en especial a Miquel Cruz por su constante asesoramiento y apoyo.

Y a la Fundación para la Sostenibilidad Energética y Ambiental FUNSEAM, por su apoyo a la continuación de este proyecto, el cual intenta ampliar la capacidad de la Herramienta y permitir la evaluación de la Sostenibilidad de sistemas energéticos.

Referencias bibliográficas

• CEN -Comité Europeo de Normalización-, 2007. Norma Europea EN 15459-2007 Eficiencia energética de los edificios. Procedimiento de evaluación económica de los sistemas energéticos de los edificios. AENOR Asociación Española de Normalización y Certificación, Madrid.
• Comisión Europea, 2012. Reglamento Delegado (UE) N° 244/2012 de la Comisión de 16 de enero de 2012. Diario Oficial de la Unión Europea, págs. 18-36.
• Henning, H., & Wiemken, E., 2011. Appropriate solutions using solar energy – basic comparison of solar thermal and photovoltaic approaches. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg.
• Manual TRNSYS 17 Volume 1 Getting Started, 2012. SEL – Solar Energy Laboratory, Univ. of Wisconsin-Madison; TRANSSOLAR Energietechnik GmbH; CSTB – Centre Scientifique et Technique du Bâtiment; TESS – Thermal Energy Systems Specialists.
• Parlamento Europeo y Consejo, 2010. Directiva 2010/31/UE del Parlamento y del Consejo de 19 de mayo de 2010. Diario Oficial de la Unión Europea, págs. 13-35.
• Risholta, B., Timeb, B. & Grete, Sustainability assessment of nearly zero energy renovation of dwellings based on energy, economy and home quality indicator. Energy and Buildings 60 (2013). Pag. 217-224
• Santandreu, A., 2010. Metodologia interna per la realització d’estudis de viabilitat de projectes energètics. IREC – Institut de Recerca en Energia de Catalunya, Barcelona.
• Short, W., Packey, D. J., & Holt, T., 1995. A Manual for the Economic Evaluation of Energy Efficiency and Renewable Energy Technologies. NREL – National Renewable Energy Laboratory, Golden. Golden.
• TESS, 2010. Ejemplo TRNSYS Studio Project: Steam-Electric Powerplant.TPF.