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.

Determinación del riesgo de incendio en una instalación de secado de alperujo = Determination of the risk of fire in an olive-oil mill waste dryer

For the energy valorization of alperujo, residue of the olive oil two phases extraction process, it is necessary to perform a drying process to reduce moisture content from over 60% to less than 10%. In order to reduce primary energy consumption and get an economic return, usually in this kind of drying facilities Gas Turbine CHP is used as a heat source. There have been recently in Spain some fires in this kind of GT-CHP facilities, which have caused high material losses. In some of these fires it has been suggested that the fire was caused by the output of incandescent alperujo in the flue gasesof the drying system. Therefore, the aim of this study is to determine experimentally and analytically under which operational conditions a process of alperujo self-ignition in the drying process can begin, and determine the actual fire hazard in this type of TG-CHP system. For analytical study, the temperature and initial composition of the combustion gases of the Gas Turbine at the entrance of the drying process was calculated and the gas equilibrium conditions reached in contact with the biomass were calculated and, therefore, the temperature of the biomass during the drying process. Moreover, the layer and dust ignition temperature of alperujo has been experimentally determined, according to EN 50281-2-1: 2000. With these results, the operating conditions of the drying process, in which there are real risk of auto-ignition of alperujo have been established.Para la valorización energética del alperujo, residuo del proceso de extracción en dos fases del aceite de oliva, es necesario realizar un proceso de secado para reducir su contenido de humedad de más del 60% al 10% m/m en b.h. Con el fin de reducir el consumo de energía primaria y obtener una rentabilidad económica, normalmente en este tipo de instalaciones de secado se usa la cogeneración con turbina de gas (TG) como fuente de calor. En España en los últimos años han ocurrido algunos casos de incendio en este tipo de instalaciones de cogeneración, que han supuesto pérdidas materiales muy elevadas. Por esta razón, el objetivo de este trabajo es determinar analítica y experimentalmente las condiciones operativas del secadero bajo las cuales podría comenzar un proceso de autoinflamación del alperujo y determinar el riesgo real de incendio en este tipo de instalaciones. Para el estudio analítico, se ha planteado y validado el modelo matemático que permite calcular la temperatura y la composición de los gases de combustión a la entrada y a la salida del secadero, en función de las curvas características de la TG, de las condiciones atmosféricas, del caudal y del grado de humedad de la biomasa tratada. El modelo permite además calcular la temperatura de bulbo húmedo, que es la máxima temperatura que podría alcanzar la biomasa durante el proceso de secado y determinar la cantidad de biomasa que se puede secar completamente en función del caudal y de las condiciones de entrada de los gases de combustión. Con estos resultados y la temperatura mínima de autoinflamación del alperujo determinada experimentalmente siguiendo la norma EN 50281- 2-1:2000, se demuestra que en un proceso de secado de alperujo en condiciones normales de operación no existe riesgo de autoencendido que pueda dar origen a un incendio.

New Constructive Solutions to Improve Energy Efficiency in Existing Buildings and their Economic Viability

The improvement of energy efficiency in existing buildings is always a challenge due to their particular, and sometimes protected, constructive solutions. New constructive regulations in Spain leave a big undefined gap when a restoration is considered because they were developed for new buildings. However, rehabilitation is considered as an opportunity for many properties because it allows owners to obtain benefits from the use of the buildings. The current financial and housing crisis has turned society point of view to existing buildings and making them more efficient is one of the Spanish government’s aims. The economic viability of a rehabilitation action should take all factors into account: both construction costs and the future operative costs of the building must be considered. Nevertheless, the application of these regulations in Spain is left to the designer’s opinion and always under a subjective point of view. With the research work described in this paper and with the help of some case-studies, the cost of adapting an existing building to the new constructive regulations will be studied and Energetic Efficiency will be evaluated depending on how the investment is recovered. The interest of the research is based on showing how new constructive solutions can achieve higher levels of efficiency in terms of energy, construction and economy and it will demonstrate that Life Cycle Costing analysis can be a mechanism to find the advantages and disadvantages of using these new constructive solutions. Therefore, this paper has the following objectives: analysing constructive solutions in existing buildings - to establish a process for assessing total life cycle costs (LCC) during the planning stages with consideration of future operating costs - to select the most advantageous operating system – To determine the return on investment in terms of construction costs based on new techniques, the achieved energy savings and investment payback periods.