ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

PROYECTO DE EMPRENDIMIENTO

PROPUESTA DEL SOLARBLOCK

ELABORADO POR:

Joseph Alejandro Aguilar Bohórquez Sucre Kevin Cando Garcés

Eduardo Miguel Jarrin Moreno María José Mendoza Jimenez David José Rodríguez Gómez

Ivanna Beatriz Valverde Bajana

DIRIDIGO POR: ING. FRANCISCO PARRA

GUAYAQUIL, DICIEMBRE 2014

Contenido 1. Antecedentes ...................................................................................................................................... 3

2. Problemas ........................................................................................................................................... 7

3. Factores del Mercado ....................................................................................................................... 11

3.1. Tamaño del Mercado ................................................................................................................ 11

3.2. Tendencias del consumidor: ..................................................................................................... 12

3.3. Clientes potenciales: ................................................................................................................. 12

3.4. Clientes Potenciales: ................................................................................................................. 12

• Compañías de bienes raíces que venden un producto atractivo. .................................................. 12

3.5. Barreras:.................................................................................................................................... 12

4. Solución ............................................................................................................................................ 13

4.1. Descripción del producto: ......................................................................................................... 13

4.2. Propuesta de valor .................................................................................................................... 17

5. Bibliografía ........................................................................................................................................ 18

1. Antecedentes

La construcción, petróleo y minas, agricultura y manufactura son las principales industrias que

dinamizaron el crecimiento económico del Ecuador en el 2013, cuando el PIB llego al 4,5%, según un

informe del Banco Central del Ecuador. Las principales contribuciones por cada industria se muestran en

el grafico a continuación:

Es evidente que la industria de la construcción en el Ecuador se ha convertido en la que más aportación

ha tenido en el PIB del país al 2013. A pesar de la importancia que tiene la industria de petróleo y minas,

la construcción ha ganado mucho más relevancia para el crecimiento económico del Ecuador.

Este crecimiento exige una mayor calidad para el sector de la construcción por parte de los entes

regulatorios, debido a que las edificaciones actuales en el país son evidencia de la ineficiencia de los

procesos y materiales de construcción.

Un ejemplo de esto fueron los sismos que se presentaron en la ciudad de Quito el pasado mes de julio,

los cuales ocasionaron daños significativos en las edificaciones de la ciudad. Según Hérmel Flores,

presidente de la Cámara de la Industria de la Construcción, es preocupante que un sismo de baja escala

provocara daños de esa magnitud. Bajo este antecedente el Ministro de Desarrollo Urbano y Vivienda,

Diego Aulestia, anuncio que el gobierno no permitirá construcciones de mala calidad en el país y se dio

la promulgación de la norma antisísmica de construcción, que está vigente desde el pasado 18 de

agosto.

Por otra parte entre los conceptos importantes en la industria está la falta de eficiencia energética,

debido a construcciones tradicionales que no permiten aprovechar factores externos o recursos

naturales que pueden aportar a la sustentabilidad de las edificaciones.

El consumo promedio de energía eléctrica de los hogares ecuatorianos a nivel nacional es mayor a 138

kW/h, y el área urbana registra el consumo más alto con 155 kW/h (por encima de la media), a su vez se

conoce que Ecuador es uno de los países que más dinero destina a subsidios energéticos en la región,

con un 20% del PIB, seguido de Bolivia con un aporte de tan solo un 7% el PIB.

El destinar un porcentaje tan considerable solo a subsidios energéticos da a notar que el Ecuador

necesita implementar acciones para mejorar la eficiencia energética nacional.

Este no es solo un tema de interés nacional, alrededor del mundo se ha buscado implementar formas

innovadoras de mejorar la eficiencia energética, un claro ejemplo de esto fue aplicado en (Al-Soud &

Hrayshat, 2009) Jordania donde debido a la alta demanda por energía, estuvieron considerando

diferentes formas de generarla en adición a su forma tradicional, plantas de energía a base de

combustible fósil.

Entre sus consideraciones estuvieron energía nuclear, solar, eólica e hidroeléctrica. Jordania al tener

poco acceso a corrientes de agua, a que los medios de energía hidroeléctricos no eran viables, y basados

en la razón de costo-beneficio, demostró que la energía solar está considerado como el mejor sistema

para la generación de energía eléctrica.

Enfocados en el potencial de las Plantas de Energía Solar Concentrada (CSPP*). Lo siguiente que hicieron

fue realizar estudios sobre la directa radiación solar en Jordania, para identificar cual sería el mejor lugar

para lograr la mayor generación de electricidad eficiente, usando la concentración de energía solar.

Este caso sirve como un antecedente muy importante para este proyecto, debido a que Jordania es un

país que cuenta con condiciones climáticas muy parecidas a las de Ecuador, y da un buen precedente de

que la utilización de energía solar en regiones similares a las de este país no es solo viable, sino la más

eficiente.

El sistema CPSS es una versión mejorada de los sistemas fotovoltaicos tradicionales, en los cuales los

paneles son estáticos y su eficiencia depende netamente de la posición del sol y del nivel de incidencia

de radiación solar que reciben.

La energía solar fotovoltaica es una tecnología disponible para la producción de electricidad de corriente

continua y se basa en materiales semiconductores. Para obtener mayores flujos de electricidad se

necesita mayor intensidad en la radiación solar. Los sistemas fotovoltaicos no necesariamente requieren

luz brillante directa para funcionar, es posible generar electricidad en días con poca luminosidad, todo

gracias a la reflexión de la luz.

El material fotovoltaico transforma la parte de la energía contenida en los fotones de la luz; los

principales elementos de los paneles de energía solar fotovoltaica de alta concentración están: los

concentradores de radiación solar, célula fotovoltaica, dispersor del calor, inversores, y un sistema de

seguimiento solar.

Por otra parte la concentración fotovoltaica (CPV), es una tecnología que utiliza un elemento óptico para

concentrar la luz que viene del sol, pero en vez de disponer el caro material fotovoltaico en toda la

superficie, concentra la luz en espejos o lentes en espacios reducidos dentro del panel. Esto lo hace más

eficiente porque permite utilizar menos cantidad de material fotovoltaico.

Los CPV deben permanecer en línea con el sol con el objetivo de proporcionar el beneficio para

concentrarse, entre mayor sea el nivel de concentración más estrecho debe ser el ángulo de captación

solar.

En cuanto a la eficiencia de conversión de los PV, varía según su tecnología y se encuentra entre el 6 y

25% (MIT, 2008). En cuanto a los costos de inversión, esta tecnología requiere de alrededor de $4000

por kW instalado para el sector de servicios (IEA 2010, Roadmap).

Por otro lado los CPV tienen costo medio de inversión de $4000/KW, con un costo de operación de tan

sólo $9/kW al año. La eficiencia energética de este sistema se aproxima al 40% y su rendimiento se ve

afectado por el aumento de temperatura.

Si contrastamos la energía fotovoltaica y la energía fotovoltaica concentrada, podemos notar que con

una cantidad de inversión similar se puede obtener una mayor eficiencia energética, sin embargo no se

puede obviar el hecho de que la segunda aún se encuentra en etapa de investigación y desarrollo, a

pesar de que desde hace ya algunos años es posible encontrarla en algunas instalaciones de países como

EEUU, México, España, Italia y Australia.

2. Problemas Si bien es cierto que en nuestro país la industria de la construcción es el sector económico de mayor

crecimiento, justamente la falta de una norma técnica que regule o procure la eficiencia de las

estructuras de las edificaciones o viviendas desde las primeras fases de levantamiento, es la principal

determinante del alto consumo energético del país. A esto se añade el hecho de que gran parte del PIB

de Ecuador es destinado a los subsidios (incluyendo el energético), dando lugar a la ineficiencia en el

consumo de electricidad, puesto que el precio es subestimado.

Sin embargo, las consecuencias de una falta de regulación y control empeoran cuando añadimos otro

factor: poco conocimiento, poca atención y baja concientización respecto a la importancia del cambio de

matriz energética hacia energías renovables, a nivel académico (de educación superior) y profesional o

aplicado (en proyectos de construcción).

En términos generales, el método de construcción en el país se ha estancado en un estilo simplista y de

cierta forma obsoleta, evidenciado en el patrón de diseños tradicionales de las edificaciones. Hasta

hace muy poco, por la visión que primaba en la industria, se buscaba minimizar costos responsabilizando

de la obra al típico “maestro”, en referencia al obrero conocedor pragmático de temas de construcción.

Consecuentemente, se dejaba de lado consideraciones clave en la materia: eficiencia energética,

bioclimatismo, riesgo sísmico, entre varias más.

En el año 2010, pese a que los estudios necesarios se habían completado por el año 1985, inicia la

construcción del proyecto Coca Codo Sinclair en la provincia de Napo. Este evento marcó el hito inicial

de una evolución de la matriz energética hacia una fuente renovable y próspera en nuestro país: el agua.

Hasta el momento, son ocho los proyectos emblemáticos que se encuentran en construcción y de los

cuales se espera que empiecen a funcionar en el 2016.

Indudablemente, los esfuerzos del gobierno por asignar recursos a esta clase de proyectos son

aplaudidos, puesto que permite la satisfacción de demanda energética de grandes dimensiones a un

menor costo ambiental. Sin embargo, “menor” no implica nulidad.

Existen algunas desventajas importantes respecto a las centrales hidroeléctricas. En primer lugar, se

debe mencionar las grandes extensiones necesarias para la instalación de la planta. Así mismo, grandes

instalaciones requieren de tiempo y numerosa mano de obra para poder levantar la infraestructura,

elevando su costo. En segundo lugar, la disponibilidad de energía podría estar en función de las

condiciones de los caudales, salvo que se incorpore un sistema que impida esta variación, aumentando

todavía más el total de la inversión inicial. Y por último sin restarle importancia, se añade el hecho de

que las ubicaciones de estas centrales son zonas alejadas del límite del sistema vial, por lo que la

extensión de carreteras se vuelve un mal necesario para lograr los proyectos, aumentando la

vulnerabilidad de los ecosistemas circundantes.

Desventajas de un sistema fotovoltaico tradicional

Entre una de las principales desventajas que presentan los sistemas fotovoltaicos tradicionales, es que

dependen directamente de la cantidad de radiación solar que reciben, la temperatura y de otros

factores ambientales, este constituye un factor aleatorio en el nivel de producción de energía. Como es

bastante evidente si recibe luz solar durante menos tiempo, menor será la cantidad de energía

generada. Es por esto que en ciertas regiones del mundo, como era de esperarse, en ciertas épocas o

estaciones del año hay una menor cantidad de horas de luz, y por ende habrá una menor cantidad de

energía generada.

Según Eduardo F. Fernández (Fernández, Almonacid, Ruiz-Arias, & Soria-Moya, 2014) los parámetros

climáticos y cambios en estos mismos, que se dan durante el día, mes o año afectan a la distribución

espectral de radiación. Es decir que se puede notar una clara relación entre la radiación que reciben los

paneles solares y la producción de energía que tienen. En los resultados obtenidos se muestra que las

pérdidas espectrales varían entre 6% y 51% dependiendo de las condiciones climáticas y del módulo

fotovoltaico.

En su estudio se analizan varios factores atmosféricos de entre los cuales nos centraremos en solo uno

de ellos, la masa óptica (optical air mass), que describe la cantidad la cantidad de sustancia que recorren

los rayos solares en su camino dentro de la atmósfera, y cuando esta substancia son moléculas de aire

seco, recibe el nombre de masa óptica de aire (optical air mass). El valor mínimo de esta variable es

siempre uno, pero se debe notar que a medida que este valor se incrementa, también se incrementa la

atenuación de la radiación solar para todo el espectro de ondas. Ahora que ya definimos el parámetro

más relevante (la masa de aire óptico), podemos hacer un breve análisis de la gráfica que se muestra a

continuación:

Para diferente valores de la masa óptica de aire relativa, se puede notar claramente como la radiación

espectral de la luz incidente en los paneles va disminuyendo a medida que aumenta el valor de la masa

óptica de aire, y por ende disminuyendo proporcionalmente la cantidad de energía generada por el

sistema fotovoltaico. También entre los resultados se obtuvieron que los sistemas que incluyen lentes

de fresnel fueron los que presentaron menos pérdidas espectrales de todos los sistemas que se

analizaron en el trabajo realizado, por lo que constituyen un sistema más eficiente que los paneles

fotovoltaicos convencionales

Otra desventaja que presentan los sistemas fotovoltaicos son los altos precios que tiene instalar un

sistema de este tipo, es decir requieren de una fuerte inversión inicial, aun cuando su tiempo de vida útil

este por los 25 años o más, dependiendo del correcto mantenimiento que se le haga, la inversión se la

está recuperando a largo plazo, generalmente en un plazo de 10 a 15 años, además del costo que

representa tener que realizar los mantenimientos cada cierto tiempo.

A su vez una desventaja que presentan estos sistemas es que para abastecer grandes niveles de

demanda de energía se necesita extensiones geográficas extremadamente grandes para equiparar el

nivel que se demanda con el nivel de energía que se genera por los paneles fotovoltaicos.

Tal como se puede apreciar en (U. Desideri, Zepparelli, Morettini, & Garroni, 2013), la comparación

entre la cantidad de energía que generan un sistema fotovoltaico tradicional y uno que integra

concentradoras de energía solar y sorprendentemente al inicio el sistema fotovoltaico genera más

energía que un sistema concentrador de energía, pero conforme transcurren los años va decayendo,

mientras que un sistema concentrador mantiene su nivel de energía producida a través de los años en

promedio, asumiendo condiciones como que, ambas reciben la misma cantidad de radiación solar y que

ambas tienen la misma área geográfica destinada para la generación de energía (81420m2), a

continuación se mostrará un gráfico para ilustrar mejor esta situación:

En relación

con un artículo de

la Oficina de Asociaciones Innovadoras y Financiación Alternativa del Departamento de Transporte de

Oregon, menciona que la incorrecta eliminación de los paneles solares al final de su vida útil también

representa un riesgo para la salud y seguridad ambiental, además de que hay cierto tipos de paneles

que contienen elementos químicos (como el plomo) que deben tratarse como residuos peligrosos al

final de su vida útil.

3. Factores del Mercado

3.1. Tamaño del Mercado

El creciente consumo energético en el país es un indicio de que el consumo energético está tomando un

rol cada vez más representativo por otro lado la construcción arquitectónica moderna. Por esto que un

nuevo sistema de construcción o vector energético representa un esquema ventajoso para

constructores, empresas de construcción y también se presenta como una oportunidad para que el

gobierno ejecute planes que involucren innovaciones con edificaciones arquitectónicas.

3.2. Tendencias del consumidor: El consumidor son personas modernas que tienen a seguir nuevas tendencias y formas de conseguir un

producto de calidad y no tradicional.

3.3. Clientes potenciales: Una vez nuestro producto este posesionados futuros compradores serán:

• Gobiernos que buscan nuevas formas de modernizar su población y contribuir con edificaciones

e inmuebles auto sustentables y estéticos.

• Constructoras visionarias que buscan nuevas formas de edificar inmuebles de calidad y además

con un agregado de impactante y estético visualmente.

3.4. Clientes Potenciales:

• Compañías de bienes raíces que venden un producto atractivo.

• Clientes particulares que buscarán seguir las nuevas tendencias además de buscar un sistema

parcialmente autosustentable.

3.5. Barreras: Una barrera significativa que puede distinguirse a primera viste consistiría en la resistencia al cambio,

especialmente en un ambiente donde una mentalidad tradicional de parte del cliente constituye dicha

barrera, puesto que los clientes han estado acostumbrados a usar las mismas unidades de construcción

y metodologías convencionales por mucho tiempo al momento de edificar.

4. Solución

4.1. Descripción del producto:

El SolarBlock© es un producto el cual toma las ventajas de las construcciones sostenibles, por medio de módulos independientes entre sí, los cuales al combinarse presentan una estructura con mayor rigidez, estabilidad y flexibilidad que los módulos de construcciones actuales tales como las vigas de acero, los ladrillos, o cualquier otra forma esencial de la estructura.

La mayor ventaja que promete el sistema SolarBlock© es que permite generar energía a partir de la radiación ultravioleta recibida. Como sabemos los sistemas de construcción modernos desaprovechan la energía que les llega del entorno debido a que las estructuras no están diseñadas con ese propósito, por lo mismo que se busca aprovechar espacios como las azoteas o techos para conseguir así un mayor aprovechamiento de la energía solar recibida por medio de paneles fotovoltaicos (Shan, Cao, & Fang, 2013); como también fue el caso de Nepal mostrado en (Gautam, Li, & Ru, 2015), pero como se ha mostrado en la problemática los paneles fotovoltaicos tienen sus limitaciones y es aquí en donde se desea optimizar el proceso por medio del uso de sistemas CSP (Concentrated Solar Power) por sus siglas en inglés, (U. Desideri et al., 2013) muestra precisamente un análisis comparativo entre los dos, en donde podemos destacar que si bien es cierto la energía solar es la más abundante en el planeta su conversión en energía eléctrica puede realizarse por dos medios diferentes los sistemas termodinámicos y los fotovoltaicos.

(Umberto Desideri & Campana, 2014) dice que los sistemas fotovoltaicos representaron un mayor costo a los complejos de CSP, los cuales resultaron siendo en términos de costos de electricidad producida debido a la continuidad de producción energética durante la noche. Sin embargo tal como muestran (Khan, Baek, & Kim, 2014), (Sark, 2011), (Yadav, Tripathi, Pandey, & Kumar, 2014), (Chow, 2010), (Baig, Sarmah, Heasman, & Mallick, 2013) se puede mejorar la eficiencia de los paneles fotovoltaicos teniendo en cuenta algunas consideraciones especiales como la tasa de cambio de todos los parámetros PV de la celda los cuales fueron más altos a valores bajos de Pin lo que resulta en un menor costo al tener mayor rendimiento. Así mismo el rendimiento de los paneles fotovoltaicos normales sufre a temperaturas elevadas, lo que puede llevar a pérdidas en el rendimiento. Dependiendo del criterio de optimización los sistemas de celdas fotovoltaicas pueden producir una eficiencia de 9.7c$/kWh y un superávit en electricidad con 26.45Mwh (Nacer, Hamidat, & Nadjemi, 2014). (Fasana & Nelva, 2013) nos muestran una perspectiva diferente de paneles fotovoltaicos integrados a edificios, sin embargo esta propuesta carece de valor debido a que pueden haber infiltraciones de agua.

Teniendo en cuenta estos datos se diseñó un método mucho más eficiente, el Sistema de Concentración de Energía Fotovoltaica Distribuida (SCEFD) el cual está basado en el trabajo de (Menoufi, Chemisana, & Rosell, 2013), se le hizo unas modificaciones al RACPC (Rotationally Asymmetrical

Compound Parabolic Concentrator), el cual funciona bajo el principio de CPV. Sin embargo su aplicación es diferente el RACPC trabaja bajo condiciones especiales, su posible aplicación en la integración a edificios lo que incluye a tragaluces, ventanas, y cobertores solares.

El SolarBlock© implementa cuatro celdas fotovoltaicas con un líquido de transmisión de carga, el cual será di(dodecylthiophene)-alt-2,3-di(3-octoxylphenyl)-5,8-dithieno[3,2-b]thiophene 6,7-difluoroquinoxaline copolymer el cual se estudió en (Zhou et al., 2015) y se demostró que las propiedades fotovoltaicas pueden ser significativamente mejoradas. Con esto se espera obtener un índice de eficiencia de 9 en comparación con los paneles fotovoltaicos normales los cuales tienen una eficiencia de 1. En la siguiente figura se muestra un prototipo

Tabla 1 – Prototipo del Sistema de Concentracion de Energia

Vista de perspectiva frontal-lateral

Vista de lado

Vista perpendicular

El sistema de concentración representa una gran ventaja. El objetivo del SolarBlock es poder aprovechar este sistema nuevo en un nuevo medio de construcción, el concentrador de energía previamente mostrado va incorporado en un armazón de acero el cual puede ser armado o reconstruido según las necesidades del cliente, como se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 2. – Representacion del armazon metalico

Vista Perpendicular

Vista Superior

Vista lateral

Una vez configurado el armazón según los cálculos de distribución de carga, es lo que permite saber los ángulos a abrir de los soportes, se procede a colocar los espejos de Fresnel que según (Muhammad-Sukki et al., 2014) sabemos que puede optimizar por mucho la eficiencia del proceso. De esta forma se aprovechan los rayos perpendiculares que penetran la estructura y a su vez se manda reflexión especular la cual daría un 30% de mayor iluminación comparado con un sistema de construcción convencional.

Tabla 3 – Implementación del Espejo de Fesnel

Vista perpendicular

Vista Lateral

Tabla 4 – Primer prototipo final

4.2. Propuesta de valor

𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝐵𝑆𝑆𝐵𝐵 =

𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑑𝐸 9.6c$kWh + 𝑀𝐸𝐸𝑀𝑀 𝐸𝑖𝑖á𝐸𝑐𝑀 𝐸𝑖𝑎𝐸𝐸𝐸𝑐𝐸𝑎 + 𝑀𝐸𝐸𝑀𝑀𝐸𝑀 𝐸𝑀𝑀𝑐𝑀𝑀 𝐸 𝑎𝐸𝑀𝑙𝑀 𝑖𝑎𝐸𝑝𝑀 +

𝐸𝑀𝑐𝑀𝐸𝐸𝑐𝐸𝑀𝐸 𝐸𝑀𝐸 𝑖𝐸𝑚𝑀𝑀 𝐸𝑀𝑐𝐸𝑎𝐸𝑎𝐸𝑑𝐸𝑑 + 𝑀𝑀𝑑𝐸𝑀𝐸𝐸𝑝𝐸𝐸𝐸ó𝐸 𝐸𝑀𝑎𝐸𝐸𝑐𝐸𝐸𝑐ó𝐸𝐸𝐸𝐸𝑃𝑀𝐸𝐸𝐸𝑀 𝑀𝐸𝑖𝐸𝑀𝐸𝑀𝑀 𝐸𝑎 𝑑𝐸 𝐸𝐸 𝑎𝑎𝑀𝑎𝐸𝐸 𝑐𝑀𝐸𝑑𝐸𝐸𝐸𝑀𝐸𝐸𝑎 + 𝐵𝑀𝑀𝑐𝑀𝑀 𝐸𝐸 𝑖𝐸𝐸𝑐𝐸𝐸𝐸𝑖𝐸𝐸𝐸𝑀 + 𝐵𝑀𝑀𝑐𝑀𝑀 𝑖𝐸𝑚𝑀𝑀𝐸𝑀 𝐸𝐸 𝑖𝐸𝐸𝑀 𝑑𝐸 𝑀𝑎𝑀𝐸

+ 𝑃𝐸𝑀𝑀 𝑀𝐸𝑖𝐸𝑀𝐸𝑀𝑀 𝐸𝑎 𝑐𝑀𝐸𝑑𝐸𝐸𝐸𝑀𝐸𝐸𝑎

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