Characterisation of the operation & maintenance phase in PV rural electrification programmes

Con 1.300 millones de personas en el mundo sin acceso a la electricidad (la mayoría en entornos rurales de países empobrecidos), la energía solar fotovoltaica constituye una solución viable técnica y económicamente para electrificar las zonas más remotas del planeta donde las redes eléctricas convencionales no llegan. Casi todos los países en el mundo han desarrollado algún tipo de programa de electrificación fotovoltaica rural durante los últimos 40 años, principalmente los países más pobres, donde a través de diferentes modelos de financiación, se han instalado millones de sistemas solares domiciliarios (pequeños sistemas fotovoltaicos para uso doméstico). Durante este largo período, se han ido superando muchas barreras, como la mejora de la calidad de los sistemas fotovoltaicos, la reducción de costes, la optimización del diseño y del dimensionado de los sistemas, la disponibilidad financiera para implantar programas de electrificación rural, etc. Gracias a esto, la electrificación rural descentralizada ha experimentado recientemente un salto de escala caracterizada por la implantación de grandes programas con miles de sistemas solares domiciliarios e integrando largos períodos de mantenimiento. Muchos de estos grandes programas se están llevando a cabo con limitado éxito, ya que generalmente parten de supuestos e hipótesis poco contrastadas con la realidad, comprometiendo así un retorno económico que permita el desarrollo de esta actividad a largo plazo. En este escenario surge un nuevo reto: el de cómo garantizar la sostenibilidad de los grandes programas de electrificación rural fotovoltaica. Se argumenta que la principal causa de esta falta de rentabilidad es el imprevisto alto coste de la fase de operación y mantenimiento. Cuestiones clave tales como la estructura de costes de operación y mantenimiento o la fiabilidad de los componentes del sistema fotovoltaico no están bien caracterizados hoy en día. Esta situación limita la capacidad de diseñar estructuras de mantenimiento capaces de asegurar la sostenibilidad y la rentabilidad del servicio de operación y mantenimiento en estos programas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo responder a estas cuestiones. Se ha realizado varios estudios sobre la base de un gran programa de electrificación rural fotovoltaica real llevado a cabo en Marruecos con más de 13.000 sistemas solares domiciliarios instalados. Sobre la base de este programa se ha hecho una evaluación en profundidad de la fiabilidad de los sistemas solares a partir de los datos de mantenimiento recogidos durante 5 años con más de 80.000 inputs. Los resultados han permitido establecer las funciones de fiabilidad de los equipos tal y como se comportan en condiciones reales de operación, las tasas de fallos y los tiempos medios hasta el fallo para los principales componentes del sistema, siendo este el primer caso de divulgación de resultados de este tipo en el campo de la electrificación rural fotovoltaica. Los dos principales componentes del sistema solar domiciliario, la batería y el módulo fotovoltaico, han sido analizados en campo a través de una muestra de 41 sistemas trabajando en condiciones reales pertenecientes al programa solar marroquí. Por un lado se ha estudiado la degradación de la capacidad de las baterías y por otro la degradación de potencia de los módulos fotovoltaicos. En el caso de las baterías, los resultados nos han permitido caracterizar la curva de degradación en capacidad llegando a obtener una propuesta de nueva definición del umbral de vida útil de las baterías en electrificación rural. También sobre la base del programa solar de Marruecos se ha llevado a cabo un estudio de caracterización de los costes reales de operación y mantenimiento a partir de la base de datos de contabilidad del programa registrados durante 5 años. Los resultados del estudio han permitido definir cuáles son costes que más incidencia tienen en el coste global. Se han obtenido los costes unitarios por sistema instalado y se han calculado los montantes de las cuotas de mantenimiento de los usuarios para garantizar la rentabilidad de la operación y mantenimiento. Finalmente, se propone un modelo de optimización matemática para diseñar estructuras de mantenimiento basado en los resultados de los estudios anteriores. La herramienta, elaborada mediante programación lineal entera mixta, se ha aplicado al programa marroquí con el fin de validar el modelo propuesto. ABSTRACT With 1,300 million people worldwide deprived of access to electricity (mostly in rural environments), photovoltaic solar energy has proven to be a cost‐effective solution and the only hope for electrifying the most remote inhabitants of the planet, where conventional electric grids do not reach because they are unaffordable. Almost all countries in the world have had some kind of rural photovoltaic electrification programme during the past 40 years, mainly the poorer countries, where through different organizational models, millions of solar home systems (small photovoltaic systems for domestic use) have been installed. During this long period, many barriers have been overcome, such as quality enhancement, cost reduction, the optimization of designing and sizing, financial availability, etc. Thanks to this, decentralized rural electrification has recently experienced a change of scale characterized by new programmes with thousands of solar home systems and long maintenance periods. Many of these large programmes are being developed with limited success, as they have generally been based on assumptions that do not correspond to reality, compromising the economic return that allows long term activity. In this scenario a new challenge emerges, which approaches the sustainability of large programmes. It is argued that the main cause of unprofitability is the unexpected high cost of the operation and maintenance of the solar systems. In fact, the lack of a paradigm in decentralized rural services has led to many private companies to carry out decentralized electrification programmes blindly. Issues such as the operation and maintenance cost structure or the reliability of the solar home system components have still not been characterized. This situation does not allow optimized maintenance structure to be designed to assure the sustainability and profitability of the operation and maintenance service. This PhD thesis aims to respond to these needs. Several studies have been carried out based on a real and large photovoltaic rural electrification programme carried out in Morocco with more than 13,000 solar home systems. An in‐depth reliability assessment has been made from a 5‐year maintenance database with more than 80,000 maintenance inputs. The results have allowed us to establish the real reliability functions, the failure rate and the main time to failure of the main components of the system, reporting these findings for the first time in the field of rural electrification. Both in‐field experiments on the capacity degradation of batteries and power degradation of photovoltaic modules have been carried out. During the experiments both samples of batteries and modules were operating under real conditions integrated into the solar home systems of the Moroccan programme. In the case of the batteries, the results have enabled us to obtain a proposal of definition of death of batteries in rural electrification. A cost assessment of the Moroccan experience based on a 5‐year accounting database has been carried out to characterize the cost structure of the programme. The results have allowed the major costs of the photovoltaic electrification to be defined. The overall cost ratio per installed system has been calculated together with the necessary fees that users would have to pay to make the operation and maintenance affordable. Finally, a mathematical optimization model has been proposed to design maintenance structures based on the previous study results. The tool has been applied to the Moroccan programme with the aim of validating the model.

The HOSHIN KANRI TREE. Cross-Plant Lean Shopfloor Management

Shopfloor Management (SM) empowerment methodologies have traditionally focused on two aspects: goal achievement following rigid structures, such as SQDCME, or evolutional aspects of empowerment factors away from strategic goal achievement. Furthermore, SM Methodologies have been organized almost solely around the hierarchical structure of the organization, failing systematically to cope with the challenges that Industry 4.0 is facing. The latter include the growing complexity of value-stream networks, sustainable empowerment of the workforce (Learning Factory), an autonomous and intelligent process management (Smart Factory), the need to cope with the increasing complexity of value-stream networks (VSN) and the leadership paradigm shift to strategic alignment. This paper presents a novel Lean SM Method (LSM) called ?HOSHIN KANRI Tree? (HKT), which is based on standardization of the communication patterns among process owners (POs) by PDCA. The standardization of communication patterns by HKT technology should bring enormous benefits in value stream (VS) performance, speed of standardization and learning rates to the Industry 4.0 generation of organizations. These potential advantages of HKT are being tested at present in worldwide research.

El análisis de la construcción sin pérdidas (Lean Construction) y su relación con el Project & Construction Management : propuesta de regulación en España y su inclusión en la ley de la ordenación de la edificación

El presente trabajo se basa en la filosofía de la Construcción sin Pérdidas (“Lean Construction”), analizando la situación de esta filosofía en el sector de la edificación en el contexto internacional y español, respondiendo las siguientes preguntas: 1. ¿Cómo surge el “Lean Construction”? 2. ¿Cuáles son sus actividades, funciones y cometidos? 3. ¿Existe regulación del ¨Lean Construction” en otros países? 4. ¿Existe demanda del ¨Lean Construction” en España? 5. ¿Existe regulación del ¨Lean Construction” en España? 6. ¿Cómo debería ser la regulación ¨Lean Construction” en España? 7. ¿Cuál es la relación del “Lean Construction” con el “Project & Construction Management”? 8. ¿Cómo debería ser la regulación de “Lean Construction” en España considerando su relación con el “Project & Construction Management”? Las preguntas indicadas las hemos respondido detalladamente en el presente trabajo, a continuación se resume las respuestas a dichas preguntas: 1. El “Lean Construction” surge en agosto de 1992, cuando el investigador finlandés Lauri Koskela publicó en la Universidad de Stanford el reporte TECHNICAL REPORT N° 72 titulado “Application of the New Production Philosophy to Construction”. Un año más tarde el Dr. Koskela invitó a un grupo de especialistas en construcción al primer workshop de esta materia en Finlandia, dando origen al International Group for Lean Construction (IGLC) lo que ha permitido extender la filosofía a EEUU, Europa, América, Asia, Oceanía y África. “Lean Construction” es un sistema basado en el enfoque “Lean Production” desarrollado en Japón por Toyota Motors a partir de los años cincuenta, sistema que permitió a sus fábricas producir unidades con mayor eficiencia que las industrias americanas, con menores recursos, en menor tiempo, y con un número menor de errores de fabricación. 2. El sistema “Lean Construction” busca maximizar el valor y disminuir las pérdidas de los proyectos generando una coordinación eficiente entre los involucrados, manejando un proyecto como un sistema de producción, estrechando la colaboración entre los participantes de los proyectos, capacitándoles y empoderándoles, fomentando una cultura de cambio. Su propósito es desarrollar un proceso de construcción en el que no hayan accidentes, ni daños a equipos, instalaciones, entorno y comunidad, que se realice en conformidad con los requerimientos contractuales, sin defectos, en el plazo requerido, respetando los costes presupuestados y con un claro enfoque en la eliminación o reducción de las pérdidas, es decir, las actividades que no generen beneficios. El “Last Planner System”, o “Sistema del Último Planificador”, es un sistema del “Lean Construction” que por su propia naturaleza protege a la planificación y, por ende, ayuda a maximizar el valor y minimizar las pérdidas, optimizando de manera sustancial los sistemas de seguridad y salud. El “Lean Construction” se inició como un concepto enfocado a la ejecución de las obras, posteriormente se aplicó la filosofía a todas las etapas del proyecto. Actualmente considera el desarrollo total de un proyecto, desde que nace la idea hasta la culminación de la obra y puesta en marcha, considerando el ciclo de vida completo del proyecto. Es una filosofía de gestión, metodologías de trabajo y una cultura empresarial orientada a la eficiencia de los procesos y flujos. La filosofía “Lean Construction” se está expandiendo en todo el mundo, además está creciendo en su alcance, influyendo en la gestión contractual de los proyectos. Su primera evolución consistió en la creación del sistema “Lean Project Delivery System”, que es el concepto global de desarrollo de proyectos. Posteriormente, se proponen el “Target Value Design”, que consiste en diseñar de forma colaborativa para alcanzar los costes y el valor requerido, y el “Integrated Project Delivery”, en relación con sistemas de contratos relacionales (colaborativos) integrados, distintos a los contratos convencionales. 3. Se verificó que no existe regulación específica del ¨Lean Construction” en otros países, en otras palabras, no existe el agente con el nombre específico de “Especialista en Lean Construction” o similar, en consecuencia, es un agente adicional en el proyecto de la edificación, cuyas funciones y cometidos se pueden solapar con los del “Project Manager”, “Construction Manager”, “Contract Manager”, “Safety Manager”, entre otros. Sin embargo, se comprobó la existencia de formatos privados de contratos colaborativos de Integrated Project Delivery, los cuales podrían ser tomados como unas primeras referencias para futuras regulaciones. 4. Se verificó que sí existe demanda del ¨Lean Construction” en el desarrollo del presente trabajo, aunque aún su uso es incipiente, cada día existe más interesados en el tema. 5. No existe regulación del ¨Lean Construction” en España. 6. Uno de los objetivos fundamentales de esta tesis es el de regular esta figura cuando actúe en un proyecto, definir y realizar una estructura de Agente de la Edificación, según la Ley de Ordenación de la Edificación (LOE), y de esta manera poder introducirla dentro de la Legislación Española, protegiéndola de eventuales responsabilidades civiles. En España existe jurisprudencia (sentencias de los tribunales de justicia españoles) con jurisdicción civil basada en la LOE para absolver o condenar a agentes de la edificación que son definidos en los tribunales como “gestores constructivos” o similares. Por este motivo, en un futuro los tribunales podrían dictaminar responsabilidades solidarias entre el especialista “Lean Construction” y otros agentes del proyecto, dependiendo de sus actuaciones, y según se implemente el “Lean Project Delivery System”, el “Target Value Design” y el “Integrated Project Delivery”. Por otro lado, es posible que el nivel de actuación del especialista “Lean Construcción” pueda abarcar la gestión del diseño, la gestión de la ejecución material (construcción), la gestión de contratos, o la gestión integral de todo el proyecto de edificación, esto último, en concordancia con la última Norma ISO 21500:2012 o UNE-ISO 21500:2013 Directrices para la dirección y gestión de proyectos. En consecuencia, se debería incorporar adecuadamente a uno o más agentes de la edificación en la LOE de acuerdo a sus funciones y responsabilidades según los niveles de actuación del “Especialista en Lean Construction”. Se propone la creación de los siguientes agentes: Gestor del Diseño, Gestor Constructivo y Gestor de Contratos, cuyas definiciones están desarrolladas en este trabajo. Estas figuras son definidas de manera general, puesto que cualquier “Project Manager” o “DIPE”, gestor BIM (Building Information Modeling), o similar, puede actuar como uno o varios de ellos. También se propone la creación del agente “Gestor de la Construcción sin Pérdidas”, como aquel agente que asume las actuaciones del “gestor de diseño”, “gestor constructivo” y “gestor de contratos” con un enfoque en los principios del Lean Production. 7. En la tesis se demuestra, por medio del uso de la ISO 21500, que ambos sistemas son complementarios, de manera que los proyectos pueden tener ambos enfoques y ser compatibilizados. Un proyecto que use el “Project & Construction Management” puede perfectamente apoyarse en las herramientas y técnicas del “Lean Construction” para asegurar la eliminación o reducción de las pérdidas, es decir, las actividades que no generen valor, diseñando el sistema de producción, el sistema de diseño o el sistema de contratos. 8. Se debería incorporar adecuadamente al agente de la edificación “Especialista en Lean Construction” o similar y al agente ¨Especialista en Project & Construction Management” o DIPE en la Ley de Ordenación de la Edificación (LOE) de acuerdo a sus funciones y responsabilidades, puesto que la jurisprudencia se ha basado para absolver o condenar en la referida Ley. Uno de los objetivos fundamentales de esta tesis es el de regular la figura del “Especialista en Lean Construction” cuando actúa simultáneamente con el DIPE, y realizar una estructura de Agente de la Edificación según la LOE, y de esta manera protegerlo de eventuales responsabilidades solidarias. Esta investigación comprueba que la propuesta de definición del agente de edificación DIPE, según la LOE, presentada en la tesis doctoral del Doctor Manuel Soler Severino es compatible con las nuevas definiciones propuestas. El agente DIPE puede asumir los roles de los diferentes gestores propuestos en esta tesis si es que se especializa en dichas materias, o, si lo estima pertinente, recomendar sus contrataciones. ABSTRACT This work is based on the Lean Construction philosophy; an analysis is made herein with regard to the situation of this philosophy in the building sector within the international and Spanish context, replying to the following questions: 1. How did the concept of Lean Construction emerge? 2. Which are the activities, functions and objectives of Lean Construction? 3. Are there regulations on Lean Construction in other countries? 4. Is there a demand for Lean Construction in Spain? 5. Are there regulations on Lean Construction in Spain? 6. How should regulations on Lean Construction be developed in Spain? 7. What is the relationship between Lean Construction and the Project & Construction Management? 8. How should regulations on Lean Construction be developed in Spain considering its relationship with the Project & Construction Management? We have answered these questions in detail here and the replies are summarized as follows: 1. The concept of Lean Construction emerged in august of 1992, when Finnish researcher Lauri Koskela published in Stanford University TECHNICAL REPORT N° 72 entitled “Application of the New Production Philosophy to Construction”. A year later, Professor Koskela invited a group of construction specialists to Finland to the first workshop conducted on this matter; thus, the International Group for Lean Construction (IGLC) was established, which has contributed to extending the philosophy to the United States, Europe, the Americas, Asia, Oceania, and Africa. Lean Construction is a system based on the Lean Production approach, which was developed in Japan by Toyota Motors in the 1950s. Thanks to this system, the Toyota plants were able to produce more units, with greater efficiency than the American industry, less resources, in less time, and with fewer manufacturing errors. 2. The Lean Construction system aims at maximizing the value of projects while reducing waste, producing an effective coordination among those involved; it manages projects as a production system, enhancing collaboration between the parties that participate in the projects while building their capacities, empowering them, and promoting a culture of change. Its purpose is to develop a construction process free of accidents, without damages to the equipment, facilities, environment and community, flawless, in accordance with contractual requirements, within the terms established, respecting budgeted costs, and with a clear approach to eliminating or reducing waste, that is, activities that do not generate benefits. The Last Planner System is a Lean Construction system, which by its own nature protects planning and, therefore, helps to maximize the value and minimize waste, optimizing substantially the safety and health systems. Lean Construction started as a concept focused on the execution of works, and subsequently the philosophy was applied to all the stages of the project. At present it considers the project’s total development, since the time ideas are born until the completion and start-up of the work, taking into account the entire life cycle of the project. It is a philosophy of management, work methodologies, and entrepreneurial culture aimed at the effectiveness of processes and flows. The Lean Construction philosophy is extending all over the world and its scope is becoming broader, having greater influence on the contractual management of projects. It evolved initially through the creation of the Lean Project Delivery System, a global project development concept. Later on, the Target Value Design was developed, based on collaborative design to achieve the costs and value required, as well as the Integrated Project Delivery, in connection with integrated relational (collaborative) contract systems, as opposed to conventional contracts. 3. It was verified that no specific regulations on Lean Construction exist in other countries, in other words, there are no agents with the specific name of “Lean Construction Specialist” or other similar names; therefore, it is an additional agent in building projects, which functions and objectives can overlap those of the Project Manager, Construction Manager, Contract Manager, or Safety Manager, among others. However, the existence of private collaborative contracts of Integrated Project Delivery was confirmed, which could be considered as first references for future regulations. 4. There is a demand for Lean Construction in the development of this work; even though it is still emerging, there is a growing interest in this topic. 5. There are no regulations on Lean Construction in Spain. 6. One of the main objectives of this thesis is to regulate this role when acting in a project, and to define and develop a Building Agent structure, according to the Building Standards Law (LOE by its acronym in Spanish), in order to be able to incorporate it into the Spanish law, protecting it from civil liabilities. In Spain there is jurisprudence in civil jurisdiction based on the LOE to acquit or convict building agents, which are defined in the courts as “construction managers” or similar. For this reason, courts could establish in the future joint and several liabilities between the Lean Construction Specialist and other agents of the project, depending on their actions and based on the implementation of the Lean Project Delivery System, the Target Value Design, and the Integrated Project Delivery. On the other hand, it is possible that the level of action of the Lean Construction Specialist may comprise design management, construction management and contract management, or the integral management of the entire building project in accordance with the last ISO 21500:2012 or UNE-ISO 21500:2013, guidelines for the management of projects. Accordingly, one or more building agents should be appropriately incorporated into the LOE according to their functions and responsibilities and based on the levels of action of the Lean Construction Specialist. The creation of the following agents is proposed: Design Manager, Construction Manager, and Contract Manager, which definitions are developed in this work. These agents are defined in general, since any Project Manager or DIPE, Building Information Modeling (BIM) Manager or similar, may act as one or as many of them. The creation of the Lean Construction Manager is also proposed, as the agent that takes on the role of the Design Manager, Construction Manager and Contract Manager with a focus on the Lean Production principles. 7. In the thesis it is demonstrated that through the implementation of the ISO 21500, both systems are supplementary, so projects may have both approaches and be compatible. A project that applies the Project & Construction Management may perfectly have the support of the tools, techniques and practices of Lean Construction to ensure the elimination or reduction of losses, that is, those activities that do not generate value, thus designing the production system, the design system, or the contract system. 8. The Lean Construction Specialist or similar and the Specialist in Project & Construction Management should be incorporated appropriately into the LOE according to their functions and responsibilities, since jurisprudence has been based on such Law to acquit or convict. One of the main objectives of this thesis is the regulate the role of the Lean Construction Specialist when acting simultaneously with the DIPE, and to develop a structure of the building agent, according to the LOE, and in this way protect such agent from joint and several liabilities. This research proves that the proposal to define the DIPE building agent, according to the LOE, and presented in the doctoral dissertation of Manuel Soler Severino, Ph.D. is compatible with the new definitions proposed. The DIPE agent may assume the roles of the different managers proposed in this thesis if he specializes in those topics or, if deemed pertinent, recommends that they be engaged.