Modelo para el Diseño y Evaluación del Impacto en el Desarrollo Humano en Proyectos de Energías Renovables y Eficiencia Energética

Hoy en día, la gran dependencia de los países industrializados de los combustibles fósiles para cubrir su demanda energética genera anualmente una enorme cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), provocando unos efectos negativos muy serios para el ser humano y su entorno. Al mismo tiempo, 1400 millones de personas, principalmente habitantes de países en desarrollo, viven sin acceso a la energía moderna, obstaculizando su desarrollo social y económico, y constituyendo una barrera importante para el logro de los Objetivos de Desarrollo del Milenio. Por eso, la energía es uno de los retos más importantes y urgentes a los que se enfrenta el mundo en la actualidad. Por cuestiones de equidad, es necesario extender el acceso a la energía moderna a las poblaciones que carecen de él, pero, si las tecnologías adoptadas para acelerar el acceso a la energía tienen un importante impacto ambiental, se agravarán los problemas ambientales y, en particular, aquellos relacionados con el cambio climático. Las iniciativas basadas en las energías renovables y la eficiencia energética se presentan como una solución con un importante potencial para resolver este desafío. Por un lado, estas tecnologías pueden sustituir a las mayoritariamente utilizadas en los países industrializados, basadas en recursos no renovables y contaminantes, ayudando así a reducir las emisiones de GEI. A su vez, pueden ser la base en la que se fundamenten los modelos energéticos de los países en desarrollo para extender el acceso a la energía a sus poblaciones. Poco a poco, los países llamados desarrollados y aquéllos emergentes han ido incorporando estas tecnologías alternativas dentro de sus matrices energéticas, y se espera que se produzca un aumento de su presencia en los próximos años. Sin embargo, en los países en desarrollo, la introducción de las energías renovables y eficiencia energética ha sido tradicionalmente más complicada. Al mismo tiempo, son cada vez más los estudios y experiencias que han concluido que una energía sostenible y accesible es necesaria para reducir la pobreza, el hambre y la malnutrición, mejorar la salud, incrementar los niveles de alfabetización y educación, y mejorar significativamente la vida de las mujeres y los niños. Por eso, las iniciativas basadas en energías renovables y eficiencia energética cada vez van teniendo con más frecuencia como destinatarios los países más empobrecidos. Gracias a ellas, además de contar con acceso a una energía sostenible y respetuosa con el medio ambiente, las poblaciones gozan de acceso a otros servicios como procesar alimentos y conservarlos por mayores períodos de tiempo, bombear agua, planificar una industria, dar servicio a centros sanitarios, transportar bienes y personas ,tener acceso a medios de comunicación y entretenimiento, etc. Sin embargo, aunque son muchas las mejoras que los proyectos energéticos pueden producir en las condiciones de vida de las comunidades receptoras, la experiencia muestra que existe un número importante de proyectos que no están contribuyendo a generar desarrollo como su potencial hacía esperar. Entre las diferentes razones que pueden explicar este “fracaso”, se encuentra el hecho de que no se han incluido todos los potenciales impactos en el desarrollo humano local desde las etapas de diseño del proyecto, y tampoco se han monitoreado su evolución. Para dar respuesta a esta situación, el presente trabajo desarrolla una metodología flexible, basada en un sistema de principios, criterios e indicadores, que permite diseñar y posteriormente evaluar los impactos que un determinado proyecto de energías renovables y eficiencia energética tiene sobre las condiciones de vida de las comunidades en las que se implementa, de forma que estos impactos puedan ser alcanzados. El trabajo recoge también una serie de casos de estudio en los que se ha aplicado la metodología: ocho proyectos vinculados a energías renovables y/o eficiencia energética situados en Senegal, basados tecnologías y escalas diferentes, implementados por distintos tipos de organismos y enmarcados en contextos diferentes. Esto es una prueba de la capacidad de adaptación y la flexibilidad con la que ha sido diseñada la metodología. La metodología se basa en una batería de indicadores, que contemplan todos los potenciales impactos que los proyectos de Energías Renovables y Eficiencia Energética pueden tener sobre las condiciones de vida de las comunidades donde se implementan. Los indicadores están agrupados por criterios, y éstos, a su vez, en cuatro principios (o dimensiones), los cuales marcan el objetivo y el alcance del modelo: Económico, Social, Ambiental y de Empoderamiento. La evaluación realizada en los ocho proyectos en Senegal ha permitido identificar factores que son determinantes para que los proyectos produzcan o no todas las potenciales contribuciones al desarrollo humano de las poblaciones receptoras. Algunos de los factores de éxito detectados han sido la elección de soluciones energéticas que utilicen tecnologías sencillas, que facilitan la apropiación por parte de la población receptora y las tareas de mantenimiento y la implicación de actores provenientes de diferentes sectores (público, privado y tercer sector), que trabajen en colaboración desde el inicio. Entre los factores de fracaso, se encuentra el hecho de que los procesos de participación y consulta no se han realizado de una forma adecuada, haciendo que los proyectos no respondan a las necesidades de la población local y no se tengan en cuenta las situaciones especificas de algunos grupos vulnerables, como las mujeres. Además, a menudo no se ha producido una verdadera transferencia de tecnología, por la escasa apropiación por parte de la población receptora y tampoco se han hecho estudios de las capacidades y voluntades de pago por los nuevos servicios energéticos, afectando muy negativamente a la sostenibilidad económica de las instalaciones. La metodología de evaluación y los casos de estudio presentados en el trabajo pretenden contribuir a mejorar la contribución de los proyectos de EERR y EE al desarrollo humano, y pueden ser un recurso útil para empresas, ONG y administraciones públicas involucradas en el ámbito de la Energía y en los países en desarrollo.

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.