Ingeniero Civil Eléctrico / Con el explosivo desarrollo de la tecnología solar fotovoltaica a nivel mundial, y con las actuales políticas eléctricas y medioambientales en el marco nacional, se hace evidente un aumento progresivo de inserción de energías limpias a la matriz energética. Bajo este escenario, como una medida a favor de la autosustentabilidad y el desarrollo de energías renovables en el país, entra en vigencia en septiembre del año 2014 la ley 20.571 o ley Net Billing , que otorga a los clientes de empresas distribuidoras el derecho a generar y consumir energía en base a fuentes renovables no convencionales y de cogeneración eficiente, e inyectar los excedentes que estos puedan generar a la red, siendo recompensados por la energía que aportan al sistema. Dentro de este contexto nace la interrogante de si es conveniente modelar sistemas fotovoltaicos bajo perfiles de consumo específicos, y si esto entrega información diferente, adicional o mayores beneficios económicos frente al análisis en base a promedios o curvas de consumo típicas Este trabajo consiste en la construcción de una herramienta que permite evaluar económicamente, calculando la tasa interna de retorno (TIR), sistemas fotovoltaicos bajo perfiles de consumo diarios y anuales, con información previa sobre los niveles de radiación, las tarifas, los costos de inversión y parámetros globales de los componentes del sistema. Con el desarrollo de esta herramienta, posteriormente se añade la opción de calcular de manera simplificada, el tamaño de sistema que maximiza la TIR o que optimiza económicamente el sistema FV. Se hace el estudio y modelamiento del perfil de consumo de 5 clientes de la región metropolitana, los que cuentan con tarifa tipo BT1 y distintas cantidades de uso de energía. Estos perfiles se utilizan para hacer los análisis de los resultados y las comparaciones entregadas por la herramienta. Finalmente se demuestra la utilidad de contar con una herramienta adaptada al sector residencial, que permita determinar la potencia de un sistema fotovoltaico que entregue los mayores beneficios a cada cliente, según su perfil de consumo.

The Republic of Kosovo, and its 1.8 million inhabitants, is heavily reliant on two highly pollutive lignite coal-fired power plants, Kosova A and Kosova B for energy generation. The coal-fired power plants, that cover 91% of the energy generation, are reaching the end of their operational life and are in need of either restoration or discontinuation. This implies that Kosovo is in need of energy alternatives for a more flexible energy system which could open opportunities for renewable energy. Solar power in Kosovo is still at a low percentage of less than 1%, and its future penetration is being held back by lack of investments and underdeveloped regulatory framework. Affordable and reliable energy, from solar power, could reduce poverty, lower unemployment, boost economic growth and improve people's health in Kosovo. This coincides with the sustainability goals set by the UN Agenda 2030 and specifically goal 7, ‘Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all’. The aim of the project was to design a techno-economically optimal PV-system at The University of Prishtina and to investigate the potential technical, social and economic impacts of implementing PV-systems in Kosovo to help achieve the UN 2030 Agenda, specifically SDG 7. The project consists of a quantitative part where simulations were done with the System Advisor Model (SAM) in order to calculate the energy generation and profitability of installing photovoltaic modules at The University of Prishtina with different policy-schemes. In addition, a qualitative study was done by compiling information on the policy structures in Kosovo and other european countries in order to identify obstacles and future trends in the development of renewables. The results showed that it is profitable for the University of Prishtina to install a PV-system in which the inspected financial indicators such as NPV, LCOE and payback time showed profitability for all policy-scenarios. In the base scenario with 200 kWp, which follows the current policy and capacity restrictions on the maximum allowed capacity of 100 kWp per metering point, 60% of the yearly electricity bills were covered. Two additional models were made with alternative policy-scenarios, one with a net-billing model in which sell-rates were altered and another with a higher capacity of 298.49 kWp utilizing the whole roof area. The system of 298.49 kWp gave the highest energy production and could cover 80% of the early electricity bills. The net-billing simulations indicated that profitability is also feasible for small-scale PV in a net-billing scheme with low sell-rates of electricity. LCOE ranged from $6.98 to 8.24 ¢/kWh, for all policy-scenarios, which was lower than the buy-rate of electricity for The University of Prishtina. The results from the simulations along with the qualitative study conclude that the cost- and technical potential for solar power is profitable and feasible. In addition to socio-economic factors such as job-opportunities and health benefits, solar power could be a competitive energy alternative in comparison to current forms of energy generation in Kosovo. However, due to restrictive RES-policy and potentially costly FiT’s in Kosovo a proposition, collected through qualitative studies, is to switch to auctioning schemes with possible usage of FiP’s, if needed, for large- scale PV with regulators putting an emphasis on an open, fair and competitive market. Solar power is competitive and would fare well in such schemes and its implementation should be encouraged by stakeholders and regulators in Kosovo. / Republiken Kosovo och dess 1.8 miljoner invånare är starkt beroende av de två kraftigt förorenade kolkraftverken Kosova A och B för sin energiproduktion. Kolkraftverken, som är i slutskedet av sin livslängd, utgör närmare 91% av landets energiproduktion och är i behov av antingen restaurering eller avveckling. Detta medför ett stort behov av nya, flexibla energikällor i Kosovo vilket luckrar upp möjligheter för förnybar energi, särskilt solkraft. Andelen solkraft i Kosovo utgör idag mindre än 1 % av landets energimix och hämmas avsevärt av underutvecklade regelverk och brist på investering. Ekonomiskt överkomlig och tillförlitlig energi från solkraft skulle kunna bidra till minskad fattigdom, sänkt arbetslöshet, ökad ekonomisk tillväxt samt förbättrad hälsotillstånd hos Kosovos invånare. Detta sammanfaller i sin tur med FN:s globala hållbarhetsmål stipulerade i Agenda 2030, särskilt mål 7, ”Säkerställa tillgång till ekonomiskt överkomlig, tillförlitlig, hållbar och modern energi för alla”. Syftet med arbetet var att utforma ett tekno-ekonomiskt optimalt solcellssystem vid Universitetet i Pristina, samt undersöka de potentiella tekniska, sociala och ekonomiska effekterna av att implementera solcellssystem i Kosovo. Detta i mån om FN:s hållbarhetsmål och Agenda 2030, inriktat på mål 7. Projektet består av en kvantitativ analys där energiproduktionen och lönsamheten av att installera solcellsmoduler vid Universitetet i Pristina simuleras i anknytning till olika policy regelverk med hjälp av System Advisor Model (SAM). Vidare utfördes en kvalitativ studie där information om rådande politiska strukturer och regelverk i Kosovo och andra europeiska länder sammanställdes för att identifiera aktuella hinder och framtida trender i utvecklingen av förnybar energi. Resultaten visade att det är lönsamt för Pristinas universitet att installera ett solcellssystem. De granskade finansiella indikatorerna som NPV, LCOE och payback påvisade lönsamhet för alla simulerade policy scenarion. I bas-scenariot med 200 kWp med nuvarande kapacitets och policy restriktioner på maximalt 100 kWp per mätningspunkt, täcks 60% av de årliga elräkningarna. Därutöver simuleras ytterligare två modeller med alternativa policy-scenarion. En net-billing modell med varierande el-försäljningspriser samt en modell med högre kapacitet på 298,49 kWp. I systemet med 298,49 kWp erhölls den högsta energiproduktionen som täckte närmare 80% av de årliga elräkningarna. Net-billing simuleringarna gemensamt med låga el-försäljningspriser indikerade även lönsamhet i net-billing systemet. Denna typ av elförsäljning kan därmed vara realiserbart och tillämpas för småskaliga solkraftsanläggningar i Kosovo. För alla policy scenarion varierade LCOE från $ 6,98 till 8,24 ¢/kWh, vilket var lägre än elpriserna för Universitetet i Pristina. Resultaten från simuleringarna och den kvalitativa studien antyder att den tekniska och ekonomiska potentialen för solenergi är hög. Utöver socioekonomiska faktorer som jobbmöjligheter och hälsofördelar kan solenergi vara ett konkurrenskraftigt energialternativ jämfört med nuvarande former av energiproduktion i Kosovo tack vare dess billiga kostnader. Med avseende på restriktiva regelverk gällande förnybar energi och den potentiellt dyra feed-in tariff-policyn i Kosovo är det till fördel, baserat på den kvalitativa och kvantitativa analysen, att utveckla ett auktionssystem med kompletterande feed-in premium för storskaliga solkraftsanläggningar. Detta med betoning på en öppen, rättvis och konkurrenskraftig marknad. Solkraft är billigt, konkurrenskraftig och är gynnsam för de socioekonomiska aspekterna i Kosovo. Dess implementering bör uppmuntras av intressenter och lagstiftare i Kosovo. / Në Republiken e Kosovës me 1.8 milion banorë, qytetarët e saj varen shumë nga dy termocentrale të ndotura, Kosova A dhe Kosova B. Termocentralet me linjit, që mbulojnë 91% të gjenerimit të energjisë, po arrijnë fundin e jetës së tyre operacionale dhe kanë nevojë për restaurim ose ndërprerje. Kjo nënkupton që Kosova ka nevojë për energji alternative dhe për një sistem më fleksibël, i cili mund të hapë mundësi për energji të rinovueshme. Energjia diellore në Kosovë është akoma në një përqindje të ulët të perdorimit prej më pak se 1%. Energjia diellore po frenohet nga mungesa e përpilimit të ligjeve dhe mungesa e investimeve. Nga energjia diellore Kosova mund të ketë perfitime në rritjen ekonomike dhe përmirësim të shëndetit për popullatën e Kosovës. Kjo ç ështje eshtë në perputhshmëri me qëllimet të vendosura nga agjenda e OKB-së 2030, në veqanti pika 7 në të cilën thuhet: ‘ të sigurohet aksesi në energji të përballueshme, të besueshme, të qëndrueshme dhe moderne për të gjithë ’. Qëllimi ynë me këtë studim është të hulumtojmë mundësitë për një sistem optimal fotvoltaike (PV) në Universitetin e Prishtinës ‘Hasan Prishtina’. Gjithashtu qellimi me ketë studim është të hulumtojmë ndikimet e mundshme teknike, sociale dhe ekonomike në zbatimin e sistemeve PV në Kosovë për të arritur agjendën e OKB-së 2030, posaçërisht pika 7. Projekti përbëhet nga një pjesë sasiore ku janë bërë simulime me System Advisor Model (SAM) në mënyrë që të llogaritet gjenerimi i energjisë dhe përfitimi i instalimit të moduleve PV në Universitetin e Prishtinës me skema të ndryshme rregullative. Për më tepër, është bërë një studim cilësor duke përpiluar informacione mbi strukturat rregullative në Kosovë dhe vendet e tjera evropiane në mënyrë që të identifikohen pengesat dhe tendencat e ardhshme në zhvillimin e burimeve të ripërtëritshme (BRE). Rezultatet e këtijë studimi tregojnë se, për Universitetin e Prishtinës, është veprim fitimprurëse të instalohet një sistem PV. Përmes këtijë sistemi, treguesit financiarë si NPV, LCOE dhe payback rezultojnë në përfitime ekonomike ne të gjitha skemat e provuara rregullative. Në modelin e parë bazë me 200 kWp, i cili ndjek politikat (policy) aktuale me kufizime të kapaciteteve të lejuar prej 100 kWp për një pikë matëse, mbulohen 60% e faturave vjetore të energjisë elektrike. Ndërsa në dy modelet tjera shtesë, bëmë percaktime të skemave alternative. Një nga modelet ishte net-billing në të cilin ndryshuam normat e shitjes. Tjetri model ishte një sistem PV me kapacitet më të lartë prej 298.49 kWp duke përfshirë gjithë siperfaqën e kulmit. Sistemi prej 298.49 kWp dha prodhimin më të lartë të energjisë dhe mund të mbulojë 80% të faturave të energjisë elektrike. Rezultatët e skemës së net-billing treguan se përfitimi është i mundshëm gjithashtu, me norma të ulëta të shitjes së energjisë elektrike. Kjo skemë mund të zbatohet për instalime të vogla me PV në Kosovë. Vlerat e LCOE varion nga $6.98 ¢/kWh- 8.24 ¢/kWh dollar, në të gjitha modelet. Kjo tregon se kostoja është më e ulët se norma e blerjes së energjisë elektrike për Universitetin e Prishtinës. Rezultatet nga simulimet e të gjitha modeleve së bashku me studimin cilësor arrijnë në përfundim se kostoja dhe potenciali teknik për energjinë diellore është fitimprurëse dhe i realizueshëm. Ky studim tregon se përveç faktorëve socio-ekonomikë siç janë mundësitë e punësimit dhe beneficioneve shëndetësore, energjia diellore mund të jetë një alternativë konkurruese e energjisë në krahasim me format aktuale të gjenerimit të energjisë në Kosovë. Sidoqoftë, për shkak të politikave përkufizuese të BRE-ve dhe feed-in tariff ose FiT-ve, qe janë potencialisht të kushtueshme, një rekomandim për instalime të mëdha të PV-së është kalimi në skema tender, potencialisht me përdorimin të feed-in premium ose FiP-ve. Ne ketë skeme, politikbërësitë duhet të krejojnë mundesit për një treg të hapur, të barabartë dhe konkurrues. Energjia diellore do të jetë me kosto më të ulëta në të ardhmen dhe implementimi i saj duhet të inkurajohet nga palët e interesit dhe politikbërësitë në Kosovë.

Tesis por compendio / [ES] El sector de la edificación representa el 20% y el 40% de la energía primaria mundial, contribuyendo al 30% de las emisiones de CO2, un desafío amplificado por el crecimiento de la población. Sin embargo, el creciente interés en las fuentes de energía renovables ya maduras, como la energía solar fotovoltaica (PV), ofrece oportunidades para mitigar los anteriores impactos, así como potenciales beneficios económicos, ambientales y sociales. El presente trabajo investiga las posibilidades y limitaciones en el despliegue masivo de sistemas de autoconsumo fotovoltaico (PVSC) en áreas urbanas desde una perspectiva de planificación urbana, considerando las limitaciones técnicas y económicas actuales. Con este fin, esta tesis emplea estrategias basadas en datos para desarrollar modelos físicos y modelos ágiles basados en regresiones como herramientas de evaluación del potencial técnico y económico de los sistemas PVSC en contextos urbanos. En primer lugar, se ha desarrollado y validado un submodelo empírico de producción fotovoltaica con mediciones climáticas y de producción recopiladas de una planta fotovoltaica de 50MW en funcionamiento. Además, se han investigado varias mejoras en el modelado del performance ratio (PR) en entornos de baja irradiancia. En la segunda etapa de esta investigación, el submodelo anterior se ha integrado en un modelo tecnoeconómico 3D basado en sistemas de información geográfica (GIS) capaz de evaluar el PVSC económico para una muestra de edificios residenciales. Además, el modelo incorpora modelos de sombras y estimaciones de demanda eléctrica horaria para evaluar una muestra de edificios residenciales. Una base de datos de simulación, derivada de los resultados anteriores, ha permitido el desarrollo de una metodología para entrenar un modelo basado en regresión y con ello estimar la producción y el periodo de retorno económico (PB) a escala de edificio con una precisión asumible para fines de planificación energética. Como último paso, se mejoró el submodelo de demanda empleando datos reales agregados de series temporales para múltiples patrones de consumo y proporcionando estimaciones realistas para otras tipologías de edificios. Además de las restricciones espaciales, el modelo optimiza el tamaño de las instalaciones según su demanda y limitaciones económicas, maximizando la relación entre autosuficiencia (SS) y el PB. Además, la metodología basada en regresión se ha ampliado para estimar, además del retorno de la inversión, múltiples indicadores clave de desempeño (KPIs) como la tasa interna de retorno (IRR), la tasa de autoconsumo (SC) y SS. A través de una adecuada identificación de predictores y una metodología de entrenamiento y validación, estas correlaciones permitieron estimaciones de rendimiento con una desviación aceptable respecto al modelo físico. La disponibilidad de datos relacionados con la construcción está aumentando progresivamente en la mayoría de los países, lo que permite una amplia aplicación y generalización de las metodologías propuestas y reduce el costo de simulación de estos estudios para cubrir áreas urbanas más extensas. Como aplicación de las metodologías anteriores, se analizaron los resultados del potencial económico fotovoltaico del parque inmobiliario completo de un municipio mediterráneo bajo diferentes escenarios económicos y de demanda a escala de edificio y municipal. Para el escenario que cumple con la regulación actual en España, la SS municipal oscila entre el 22%-43% para los escenarios más optimista y pesimista, respectivamente. El dimensionamiento óptimo de las instalaciones según las curvas de carga en la modalidad de Net Billing (NB) es crucial para obtener resultados económicos competitivos. En consecuencia, la generación fotovoltaica anual representó el 68% del consumo eléctrico total anual. / [CA] El sector de l'edificació representa el 20% i el 40% de l'energia primària mundial, contribuint al 30% de les emissions de CO2, un desafiament amplificat pel creixement de la població. No obstant això, el creixent interés en les fonts d'energia renovables ja madures, com l'energia solar fotovoltaica (PV), ofereix oportunitats per a mitigar els anteriors impactes, així com potencials beneficis econòmics, ambientals i socials. El present treball investiga les possibilitats i limitacions en el desplegament massiu de sistemes PVSC en àrees urbanes des d'una perspectiva de planificació urbana, considerant les limitacions tècniques i econòmiques actuals. A aquest efecte, aquesta tesi empra estratègies basades en dades per a desenvolupar models físics i models àgils basats en regressions com a eines d'avaluació del potencial tècnic i econòmic dels sistemes PVSC en contextos urbans. En primer lloc, s'ha desenvolupat i validat un submodel empíric de producció fotovoltaica amb mesuraments climàtics i de producció recopilats d'una planta fotovoltaica de 50MW en funcionament. A més, s'han investigat diverses millores en el modelatge del performance ràtio (PR) en entorns de baixa irradiància. En la segona etapa d'aquesta investigació, el submodel anterior s'ha integrat en un model tecnoeconòmic 3D basat en sistemes d'informació geográfica (GIS) capaç d'avaluar el PVSC econòmic per a una mostra d'edificis residencials. A més, el model incorpora models d'ombres i estimacions de demanda elèctrica horària per a avaluar una mostra d'edificis residencials. Una base de dades de simulació, derivada dels resultats anteriors, ha permés el desenvolupament d'una metodologia per a entrenar un model basat en regressió i amb això estimar la producció i la període de retorn econòmic (PB) a escala d'edifici amb una precisió assumible per a fins de planificació energètica. Com a últim pas, es va millorar el submodel de demanda emprant dades reals agregats de sèries temporals per a múltiples patrons de consum i proporcionant estimacions realistes per a altres tipologies d'edificis. A més de les restriccions espacials, el model optimitza la grandària de les instal·lacions segons la seua demanda i limitacions econòmiques, maximitzant la relació entre la taxa d'autosuficiència (SS) i PB. A més, la metodologia basada en regressió s'ha ampliat per a estimar, a més del retorn de la inversió, múltiples indicadors clau d'acompliment (KPIs) com la taxa interna de retorn (IRR), la taxa d'autoconsum (SC) i la SS. A través d'una adequada identificació de predictors i una metodologia d'entrenament i validació, aquestes correlacions van permetre estimacions de rendiment amb una desviació acceptable respecte al model físic. La disponibilitat de dades relacionades amb la construcció està augmentant progressivament en la majoria dels països, la qual cosa permet una àmplia aplicació i generalització de les metodologies proposades i redueix el cost de simulació d'aquests estudis per a cobrir àrees urbanes més extenses. Com a aplicació de les metodologies anteriors, es van analitzar els resultats del potencial econòmic fotovoltaic del parc immobiliari complet d'un municipi mediterrani baix diferents escenaris econòmics i de demanda a escala d'edifici i municipal. Per a l'escenari que compleix amb la regulació actual a Espanya, la taxa d'autosuficiència municipal oscil·la entre el 22%-43% per als escenaris més optimista i pessimista, respectivament. El dimensionament òptim de les instal·lacions segons les corbes de càrrega en la modalitat de Net Billing (NB) és crucial per a obtindre resultats econòmics competitius. En conseqüència, la generació fotovoltaica anual va representar el 68% del consum elèctric total anual. / [EN] The building sector in developed countries consumes 20% to 40% of global primary energy, contributing to 30% of the CO2 emissions, a challenge amplified by urban population growth. However, the rising interest in mature renewable energy sources, such as solar photovoltaic (PV), offers opportunities to mitigate these impacts and potential economic, environmental, and social benefits. The present research investigates the possibilities and constraints in the massive deployment of photovoltaic self-consumption (PVSC) systems in urban areas from an urban planning perspective, considering the current technical and economic limitations. To this end, this thesis employs data-driven strategies to develop both bottom-up physical and agile regression-based models as assessment tools for the technical and economic potential of PVSC systems in urban contexts. First, an empirical PV production submodel has been developed and validated with climate and production measurements collected from a 50MW utility-scale in operation. Additionally, several improvements in modeling the performance ratio (PR) in low-irradiance environments have been investigated. In the second stage of this research, the previous submodel has been integrated into a physical 3D GIS-based techno-economic model capable of assessing the economic PVSC for a sample of residential buildings. Additionally, the model incorporates shadow modeling and hourly electric demand estimations to assess sample residential buildings. A simulation database, derived from the previous results, has allowed the development of a methodology to train a regression-based model to estimate the production and the economic payback (PB) at a building scale with an assumable accuracy for energy planning purposes. As the last step, the demand submodel was improved by employing real aggregated time series data for multiple consumer patterns and providing realistic estimations for other building typologies. In addition to spatial restrictions, the model optimizes the sizing of the facilities according to their demand and economic constraints, maximizing the relationship between self-sufficiency (SS) and PB. Furthermore, the regression-based methodology has been extended to estimate, besides the payback, multiple key performance indicators such as internal rate of return (IRR), self-consumption rate (SC), and SS. Through an appropriate predictor identification and a training and validation methodology, these correlations allowed performance estimations with an acceptable deviation compared with the physical model. The availability of building-related data is progressively increasing in most countries, enabling widespread application and generalization of the proposed methodologies and reducing the simulation cost of these studies to cover larger urban areas. As an application of the previous methodologies, a complete-census economic PV potential results of a Mediterranean municipality's building stock was performed under different demand and economic scenarios at a building and municipality scale. For the scenario that meets the current regulation in Spain, the municipality SS ranged between 22%-43% for the most optimistic and pessimistic scenarios, respectively. The optimal sizing of the facilities according to the load curves in the Net Billing (NB) modality is crucial to obtaining competitive economic results. Consequently, the annual PV generation represented 68% of the annual total electricity consumption of the municipality for a net billing scenario, while a net metering scenario represented 103%. Owing to economies of scale and high demand intensity, a higher profitability was found in rooftops of apartment blocks and industrial buildings, which also achieve the highest savings in emissions. / Fuster Palop, E. (2023). Modeling and Optimization of Photovoltaic Installations at Urban Scale [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202061 / Compendio