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EVALUACIÓN DEL POTENCIAL FOTOVOLTAICO
EN TEJADOS EN EL CANTÓN QUITO
Tapia, Ramos, Heinemann, Zondervan.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL FOTOVOLTAICO EN TEJADOS
EN EL CANTÓN QUITO
¹ University of Bremen, Resilient Energy Systems Research Group, Bremen, Germany.
² University of Oldenburg, Institute of Physics, Energy Meteorology Group, Oldenburg, Germany.
³ University of Twente, Laboratory of Process Systems Engineering, Enschede, The Netherlands.
*mariela.tapia@uni-bremen.de
Este trabajo ene por objevo evaluar el potencial técnico y económico de la energía solar fotovoltaica
en tejados de las parroquias urbanas y rurales del cantón Quito en Ecuador. Para esto, primero se
calculó el área disponible de tejados y terrazas usando datos de sistema de información geográca.
Posteriormente, se calculó la energía fotovoltaica que podría ser generada ulizando una herramienta
de modelado en Python. Por úlmo, se evaluó la facbilidad económica en términos del costo nivelado
de electricidad (LCOE - por sus siglas en inglés) bajo tres escenarios nancieros. Los resultados indican
que existe una supercie total disponible de 61 km² en la que podría instalarse una capacidad total de
5403.74 MWp y generar un total de 7851.51 GWh al año, lo cual podría cubrir 2.3 veces el consumo
de electricidad registrado en 2019 en el cantón. Sin embargo, la evaluación económica revela que esta
tecnología es compeva únicamente en el escenario nanciero bajo. Por lo tanto, estos resultados
pueden apoyar a las autoridades locales en la planicación y diseño de polícas y estrategias nancieras
para incrementar la penetración de sistemas fotovoltaicos en tejados y así explotar el gran potencial
fotovoltaico evaluado en el cantón Quito.
The objecve of this work is to evaluate the technical and economic potenal of photovoltaic solar
energy on rooops in urban and rural parishes in Quito, Ecuador. The assessment involves: the
esmaon of the available rooop area using geographic informaon system data, the calculaon of
PV power generaon using a modeling tool in Python, and the evaluaon of the economic feasibility
in terms of the levelized cost of electricity (LCOE) under three nancial scenarios. The results indicate
that there is a total available rooop area of 61 km², on which a total capacity of 5403.74 MWp could
be installed to generate a total of 7851.51 GWh per year, which could cover 2.3 mes the electricity
consumpon of the city in 2019. However, the economic assessment shows that rooop PV technology
is only cost-compeve under the low nancial scenario. Therefore, these ndings can support local
authories in planning and designing policies and nancial strategies to increase the penetraon of
rooop PV and thus exploit the large PV potenal evaluated in Quito.
RESUMEN
Fecha de recepción: 27-07-2023 Fecha de aceptación: 18-08-2023 Fecha de Publicación: 29-12-2023 DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i30.240
ISSN 2477-9105
Número 30 Vol.1 (2023)
Photovoltaic potenal assessment on rooops in Quito
¹ Mariela Tapia *
² Detlev Heinemann
² Leonard Ramos
³ Edwin Zondervan
iD
iD
iD
iD
Palabras Clave: evaluación de recurso solar, generación fotovoltaica en tejados, potencial técnico-
Keywords:
ABSTRACT
4848
ISSN 2477-9105
Número 30 Vol.1 (2023)
DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i30.240
La energía solar connúa liderando la expansión
de la capacidad de generación renovable a nivel
mundial (1). El uso de sistemas fotovoltaicos (FV)
instalados en tejados y fachadas de edicaciones,
o integrados en ellas, está aumentando en
ciudades de regiones desarrolladas como
Europa y Norteamérica. Esto se debe no solo a la
exibilidad y escalabilidad de esta tecnología, sino
también a su rápido desarrollo, que ha reducido
los costos de los módulos fotovoltaicos en más de
un 85% entre 2009 y 2018 en la mayoría de los
mercados (2).
El desarrollo de sistemas FV en las ciudades
puede producir energía limpia para sasfacer
la demanda de electricidad urbana y, al mismo
empo, fomentar nuevos negocios y crear
oportunidades de empleo local (3). No obstante,
el despliegue de sistemas FV en ciudades de
países en desarrollo, que cuentan con un mayor
potencial solar, a menudo se encuentra en
una fase más temprana (3). Este es el caso de
Ecuador, un país con un importante potencial de
energía solar, ya que casi el 55% de su territorio
presenta niveles de radiación solar superiores a
4.1 kWh/m²/d (4). No obstante, la parcipación
de la generación FV en la matriz energéca
es aún marginal, con una producción total de
energía eléctrica del 0,1% en 2020, proveniente
de una capacitad total instalada de 27.63 MW
(5), la cual en su mayoría corresponde a sistemas
fotovoltaicos instalados en suelo.
Sin embargo, el reciente marco normavo de la
generación distribuida para autoabastecimiento
de consumidores regulados de energía eléctrica
(6) ha fomentado el despliegue de la tecnología
FV y hasta marzo 2021 se reportaron 80 sistemas
de este po de tecnología con una capacidad total
instalada de 3 MW para autoconsumo de usuarios
residenciales, comerciales e industriales (7).
Para promover un mayor despliegue de los
sistemas FV en las ciudades ecuatorianas, el
presente trabajo ene por objeto evaluar el
potencial técnico y económico de sistemas FV
instalados en tejados o terrazas en el cantón
Quito, que comprende 32 parroquias urbanas y
33 parroquias rurales y ene una población de
aproximadamente 2.2 millones de habitantes (8).
La Figura 1 presenta la ubicación geográca del
I. INTRODUCCIÓN área de estudio y la Figura 2 muestra en detalle
las parroquias urbanas y rurales del cantón.
Previamente, Dávila y Vallejo (10) ulizaron un
enfoque estadísco para evaluar el potencial
técnico de sistemas FV en tejados en las 32
parroquias urbanas de Quito. Los autores
calcularon la supercie de tejados a parr de la
caracterización de la supercie de los edicios en
dos manzanas aleatorias de cada parroquia, para
luego extrapolarla a toda la zona urbana. Para
el cálculo de la generación FV anual los autores
ulizaron los valores medios anuales de radiación
solar de un punto dentro de cada parroquia en
base a los datos del año meteorológico pico, que
fueron obtenidos de la base de datos
(NSRDB) (11).
En este trabajo, presentamos un procedimiento
diferente para el cálculo del potencial técnico,
Figura 1.
Figura 2.
4949
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL FOTOVOLTAICO
EN TEJADOS EN EL CANTÓN QUITO
Tapia, Ramos, Heinemann, Zondervan.
Datos meteorológicos
Las series históricas horarias desde 1998 hasta
2018 de radiación horizontal global (),
radiación horizontal difusa (), radiación
normal directa () en [W/m²], velocidad del
viento en [m/s], y temperatura ambiente en
[°C] sobre el área de estudio fueron obtenidas
desde la base de datos de NSRDB. Cabe señalar
que la resolución horizontal nava de los datos
meteorológicos de NSRDB fue incrementada a
3 × 3 km para empatar la resolución espacial de
varios conjuntos de datos que ulizamos en otros
estudios (ver más detalles en Tapia et al. (12)).
Metodología
La metodología para la evaluación del potencial
de energía solar FV en tejados comprende
tres etapas que son explicadas en detalle a
connuación.
• Evaluación geoespacial
El procedimiento comienza con el cálculo del
área disponible de los tejados en edicaciones
que podría ser ulizada para la instalación de
sistemas FV. Este cálculo se realizó en base al
catastro digital del cantón Quito (13), el cual
conene polígonos vectoriales que representan
una vista aérea de las supercies edicadas de
las parroquias urbanas y rurales del cantón. Para
el procesamiento de los datos SIG se ulizó el
soware QGIS v3.16 (14). Primero se dividió el
mapa de límites administravos del cantón en
una grilla de referencia con cuadrados de 3 × 3 km,
cuyos centroides son las coordenadas geográcas
del conjunto de datos meteorológicos (Figura 3a).
Este procedimiento es necesario para garanzar
que tanto las supercies calculadas de los tejados
coincidan en términos de resolución espacial
con los datos meteorológicos, permiendo así el
posterior cálculo del potencial técnico. Una vez
construida la capa de referencia, los polígonos
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Figura 3.
Tabla 1.
el cual está basado en sistemas de información
geográca (SIG) y datos meteorológicos horarios
en una grilla de resolución espacial de 3 × 3 km.
De esta forma, la variabilidad espacial y temporal
del recurso solar en el área de estudio es tomada
en cuenta para la evaluación del potencial FV en
tejados de las parroquias urbanas y rurales del
cantón Quito.
localizados dentro de cada grilla fueron extraídos
(Figura 3b) para posteriormente calcular el área
total de los mismos. Este procedimiento se repió
para cada cuadrado de la grilla hasta cubrir toda
la zona de estudio.
• Evaluación técnica
La librería pvlib-python (15) se ulizó para calcular
la energía solar FV que podría generarse en la
supercie total disponible de los tejados en cada uno
de los cuadrados de la grilla previamente calculada.
Esta librería permite simular el desempeño de
un sistema FV en base a datos meteorológicos
de entrada, especicaciones del módulo FV y
parámetros técnicos del sistema. En este estudio,
los parámetros técnicos del sistema son jados en
los valores mostrados en la Tabla 1, donde el factor
de pérdidas ( ) representa las pérdidas energécas
debido a captación y de sistema; y el factor de
ulización ( ) se dene como la parte ulizable de
la supercie del tejado apto para la instalación de
los módulos FV. En este caso, se ulizó el módulo de
silicio monocristalino SPR 220 BLK-U del fabricante
SunPower, cuyas caracteríscas son obtenidas
directamente en .
El rendimiento eléctrico de los módulos FV
se simuló usando el modelo
Performance Model (SAPM) (21), seleccionado
directamente en . Usando los datos
Parámetro Valor Referencia
Acimut (respecto al norte) 0° (16)
Ángulo de inclinación 20° (17)
Factor de pérdidas ( ) 14% (18), (19)
Factor de ulización ( ) 50% (20)
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meteorológicos a nivel horario de un punto de
la grilla de ubicación (s), el modelo SAPM simula
la curva caracterísca de corriente-voltaje que
determina la potencia de salida de un único
módulo FV en esas condiciones meteorológicas
concretas.
La potencia total producida en el cuadrado de
la grilla con ubicación (s) se calculó según la
ecuación (1), donde Nm es el número de módulos
que pueden instalarse dentro del área úl AF�(s)
de los tejados en el cuadrado de la grilla de
ubicación (s); Pmpp (s) es la potencia en el punto
de máxima potencia calculado por el modelo
SAPM ulizando los datos meteorológicos de la
ubicación (s) en el empo (t), y es el factor
de pérdida. El número de módulos Nm se calculó
según la ecuación (2), donde AFV(s) es el área úl
y Am es la supercie de un módulo FV. El área úl
AFV(s) se calculó según la ecuación (3), donde AT(s)
es el área de los tejados total disponible en el
cuadrado de la grilla de ubicación (s), y es el
factor de ulización.
El proceso descrito anteriormente se repió
para cada cuadrado de la grilla del cantón
Quito. Posteriormente, las series de empo de
producción de energía resultantes asociadas
a las coordenadas geográcas especícas del
centroide del cuadrado de la grilla se recopilaron
en un archivo NetCDF.
La producción anual de energía Eanual en el área de
estudio se calculó según la ecuación (4), donde
equivale a 8760 horas en un año y k representa el
número total de grillas dentro del área de estudio
• Evaluación económica
La facbilidad económica de la tecnología solar
FV depende de la posibilidad de sustuir una
fuente de electricidad existente por la procedente
de un sistema FV, lo que comúnmente se evalúa
comparando el costo nivelado de electricidad
P N
N
A
P
A
A
A
F
=
=
(1 - f )(t) (1)
(2)
(3)
(t)
/
=
total m
m
T
mpp
FV
FV
m
u
p
(s)
(s)
(s) (s)
(s)
(4)E P (t)
k
s=1 t=0
=
anual total(s)
(LCOE) con la tarifa de electricidad (19), y se
calcula según la ecuación (5).
donde, es la inversión inicial total, OPEX
son los costos de operación y mantenimiento
anuales, P es la capacidad total instalada, es la
producción anual inicial, r es la tasa de descuento,
es la tasa de degradación del sistema, n es el
año analizado, y N es el empo de vida úl del
sistema FV (22).
Siguiendo las sugerencias de Tjengdrawira et
al. (22), el LCOE se calculó bajo tres escenarios
nancieros, denominados bajo, medio y alto, en
los cuales se ulizaron diferentes valores para
y r, que fueron seleccionados en
base a múlples fuentes bibliográcas resumidas
en la Tabla 2.
Para el análisis de la facbilidad económica
se asumió una tarifa eléctrica residencial
representava en el cantón Quito, la cual fue
calculada en base a un consumo mensual
representavo en el área de estudio, previamente
calculada por Salazar (28), y siguiendo el método
ulizado por Benalcázar et al. (25) para el cálculo
de las tarifas adicionales debido a servicios
de comercialización y alumbrado público, que
normalmente son incluidas en la factura nal
de electricidad de los usuarios residenciales en
Ecuador. La facturación nal también puede
incluir diferentes subsidios (29), sin embargo
éstos no fueron tomadas en cuenta en este
estudio.
La Tabla 3 muestra los valores ulizados para
el cálculo y la tarifa representava asumida
para este estudio. Nótese que las tarifas de
=
0
N
n
n
n 1=
P
N
nn
1=
(5)
Parámetro Unidad Bajo Medio Alto Referencia
CAPEX USD/kWp 1110 1433 1970 (23) (24) (25)
OPEX USD/kWp 11.10 14.33 19.70 (25,26)
Tasa de
descuento % 7.00 8.68 10.71 (25) (27) (10)
Tasa de
degradación % 0.5 0.5 0.5 (22) (19)
Vida úl años 25 25 25 (22)
Tabla 2.
5151
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL FOTOVOLTAICO
EN TEJADOS EN EL CANTÓN QUITO
Tapia, Ramos, Heinemann, Zondervan.
Los resultados de la evaluación geoespacial muestran
un área total disponible de 61 km² en tejados y
terrazas del cantón Quito. La distribución espacial
de esta supercie se muestra en la Figura 4, donde
se puede observar que la misma está altamente
concentrada (~89%) entre las latudes 0.5°S y
0°N, donde se encuentran las parroquias urbanas.
Una menor supercie disponible se observa al
este y norte del cantón, donde predomina la zona
rural.
La Tabla 4 muestra un resumen del potencial
técnico de sistemas FV sobre tejado esmado
en Quito, suponiendo que el 100% del área
resultante es ulizada para la instalación de
sistemas FV. Se puede observar que podría
instalarse una capacidad total de 5403.74 MWp,
la cual generaría un total de 7851.51 GWh al
año, debido al alto nivel de radiación global total
Figura 4.
Figura 5.
Tabla 3.
Tabla 4. Resumen de los resultados del análisis del potencial
Producción de electricidad anual estimada si se
Consumo total
Basado en las estadísticas de consumo
comercialización y alumbrado público mostradas
son solo una aproximación, ya que las mismas se
pagan mensualmente independientemente del
consumo.
Parámetro Unidad Valor
Consumo representavo [kWh / mes] 116.00 a
Tarifa base [USD cent/ kWh] 8.3 b
Comercialización [USD / consumidor /mes] 1.414
[USD cent / kWh] 1.22
Alumbrado público [USD / consumidor /mes] 1.5
[USD cent / kWh] 1.29
Tarifa representava [USD cent / kWh] 10.81
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
promedio en el área de estudio (4.3 kWh/m2/d).
Adicionalmente, se puede observar que se
requeriría aproximadamente el 43% del potencial
técnico esmado para cubrir el consumo anual de
electricidad en Quito registrado en el 2019 (30).
En la Figura 5 se presenta la comparación entre
la generación esmada por mes y el consumo
eléctrico registrado en 2019, lo cual evidencia
que la generación FV esmada supera el consumo
eléctrico durante todo el año. También se observa
que el consumo mensual es relavamente estable,
contrario a la generación FV que muestra una
variación estacional, la cual está relacionada con la
variabilidad espacial y temporal del recurso solar
previamente invesgada por Tapia et al. (12).
Un análisis más detallado de la generación anual
esmada por parroquias del cantón Quito se
presenta en la Figura 6. Adicionalmente, la Figura
Parámetro Unidad Valor
Capacidad total esmada a [MWp] 5403.74
Producción de electricidad anual es-
mada b[GWh/a] 7851.51
Consumo anual de electricidad en
2019 c[GWh/a] 3375.50
Potencial técnico necesario para cubrir
el consumo anual d[%] 42.99
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7 muestra una comparación entre la generación
anual esmada y el consumo eléctrico en 2019
desagregado por po de consumo en cada
parroquia. De estas guras se observa que
las parroquias Calderón y Conocoto, que son
parroquias periurbanas densamente pobladas,
enen la mayor generación anual (570.95 y
413.09 GWh/a, respecvamente). Además, en
la Figura 7 se destaca que el potencial esmado
supera el consumo anual de electricidad de
casi todas las parroquias, con excepción de la
parroquia Iñaquito, que ene un alto consumo
comercial en Quito según las estadíscas de
consumo eléctrico en 2019 (30).
Figura 6.
Figura 7.
5353
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL FOTOVOLTAICO
EN TEJADOS EN EL CANTÓN QUITO
Tapia, Ramos, Heinemann, Zondervan.
Debido a que una mayor penetración de la
energía FV puede provocar inestabilidad en la
red y aumentar considerablemente los requisitos
de almacenamiento y respaldo del sistema, es
necesario examinar las series temporales de la
generación FV esmada en tejados con respecto a
la demanda de electricidad a nivel horario (31). Para
ofrecer una visión general de esta comparación,
ulizamos un perl pico de demanda horaria de
usuarios residenciales y comerciales en Quito (25).
Como se puede observar en la Figura 8, la
generación FV esmada no coincide con los
periodos de demanda según el perl pico. En
el caso de los usuarios residenciales, la curva de
demanda muestra un pequeño pico alrededor a
las 07:00 y otro de mayor magnitud a las 19:00,
mientras que la generación FV alcanza su mayor
producción entre las 10:00 y las 14:00, cuando
la demanda residencial es baja. En el caso de los
usuarios comerciales, el primer pico de demanda
se produce entre las 09:00 y las 11:00, que
corresponde a las horas de máxima generación FV;
sin embargo, el segundo pico se produce entre las
17:00 y las 19:00, cuando la producción FV está
disminuyendo.
Esta comparación sugiere que el potencial técnico
esmado de la energía FV sobre tejado no podría
aprovecharse completamente sin el uso de
sistemas de almacenamiento o conexiones para
inyectar el exceso de energía FV sobre tejados a la
red eléctrica.
Con respecto al análisis económico, en la Tabla 5
se muestra los valores calculados de LCOE
considerando los tres escenarios nancieros. Una
comparación entre estos resultados y la tarifa
eléctrica residencial representava (ver Tabla
3) sugieren que la generación FV es compeva
en el área de estudio en el escenario bajo. Sin
embargo, en los escenarios medio y alto, el costo
de generación FV esmado en términos de LCOE
es superior a la tarifa eléctrica representava para
usuarios residenciales en el cantón. Esto se debe
principalmente a los subsidios para la generación
de electricidad en Ecuador, reejados en tarifas
de electricidad más bajas para los usuarios
nales. Sin embargo, según las proyecciones del
Banco Interamericano de Desarrollo los costos
de inversión de los proyectos FV disminuirá
progresivamente (950 USD/kWp en Ecuador para
el 2023) (32), lo cual se reejaría en valores más
compevos de LCOE para la proyectos FV en
tejados.
El cantón Quito en Ecuador cuenta con un gran
recurso solar debido a su privilegiada posición
geográca. Según los resultados de este trabajo,
el potencial técnico de sistemas FV en tejados
podría cubrir 2.3 veces el consumo de electricidad
registrado en el 2019 en el cantón. Debido a los
altos niveles de radiación y a la baja variabilidad
intra-anual observada en el área de estudio, el
recurso solar podría ser aprovechado durante
todo el año. Sin embargo, debido a que el pico de
demanda de electricidad de usuarios residenciales
y comerciales se produce fuera del periodo de
máxima producción FV, sería necesario ulizar
sistemas de almacenamiento o conexiones para
inyectar la generación excedente a la red eléctrica.
Según los resultados de la evaluación económica,
la tecnología FV en tejados es compeva
únicamente en el escenario nanciero que
considera costos de inversión iniciales opmistas
y una tasa de descuento baja. Sin embargo, en
los escenarios nancieros medio y alto, el costo
de generación FV esmado es mayor a la tarifa
Figura 8.
Escenario LCOE
[USD cent/kWh]
Bajo 7.7
Medio 11.3
Alto 17.8
Tabla 5.
IV. CONCLUSIONES
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VI. REFERENCIAS
eléctrica de referencia para usuarios residenciales.
Por lo tanto, sería necesario el establecimiento
de estrategias para crear condiciones económicas
compevas con el n de fomentar el interés
del usuario nal a la hora de instalar sistemas
fotovoltaicos sobre tejado. En ese sendo, se
espera que el actual marco regulatorio en Ecuador
para el autoconsumo mediante sistemas de
energía distribuida bajo un esquema de balance
energéco neto mensual proporcione incenvos
económicos a los usuarios y apoye la penetración
de la tecnología solar FV en tejados. De esta
forma se podría explotar el gran potencial técnico
esmado con el n de descentralizar la generación
eléctrica y así desplazar la generación térmica
basada en combusbles fósiles.
Con respecto a la metodología ulizada en este
estudio, cabe destacar que la ulización de mapas
digitales catastrales para la evaluación geoespacial,
así como datos meteorológicos en grilla y a nivel
horario conduce a esmaciones más realistas
en comparación con métodos que se basan
únicamente en estadíscas para la evaluación
del potencial técnico de sistemas FV en tejados.
Futuras invesgaciones podrían ulizar datos en
mayor resolución de las edicaciones y métodos
de evaluación de sombras para explorar con mayor
detalle el potencial técnico de las zonas con alta
densidad de tejados idencadas en este estudio.
5555
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EN TEJADOS EN EL CANTÓN QUITO
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