Energía solar - Solar power

Una matriz de sistema solar fotovoltaico en una azotea en Hong Kong
Las tres primeras unidades de energía solar concentrada (CSP) de la central solar española Solnova en primer plano, con las torres de energía solar PS10 y PS20 al fondo
Este mapa de recursos solares proporciona un resumen de la energía solar estimada disponible para la generación de energía y otras aplicaciones energéticas. Representa la suma media diaria / anual de la producción de electricidad de una planta de energía solar fotovoltaica conectada a la red de 1 kW de pico que cubre el período 1994/1999/2007 (según la región geográfica) hasta 2015. Fuente: Global Solar Atlas

La energía solar es la conversión de energía de la luz solar en electricidad , ya sea directamente utilizando energía fotovoltaica (PV), indirectamente utilizando energía solar concentrada o una combinación. Los sistemas de energía solar concentrada utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento solar para enfocar una gran área de luz solar en un rayo pequeño. Las células fotovoltaicas convierten la luz en corriente eléctrica mediante el efecto fotovoltaico .

La energía fotovoltaica se inicialmente utilizados únicamente como una fuente de electricidad para pequeñas y medianas aplicaciones, desde la calculadora alimentado por una sola célula solar a los hogares remotos accionados por una fuera de la red del sistema PV azotea. Las plantas comerciales de energía solar concentrada se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. A medida que el costo de la electricidad solar ha caído, el número de sistemas fotovoltaicos solares conectados a la red ha aumentado a millones y se están construyendo centrales fotovoltaicas a escala de gigavatios . La energía solar fotovoltaica se está convirtiendo rápidamente en una tecnología económica y con bajas emisiones de carbono para aprovechar la energía renovable del sol.

La Agencia Internacional de Energía dijo en 2021 que bajo su escenario "Cero neto para 2050", la energía solar contribuiría con alrededor del 20% del consumo de energía mundial , y la energía solar sería la fuente de electricidad más grande del mundo. China tiene la mayor cantidad de instalaciones solares. En 2020, la energía solar generó el 3,5% de la electricidad mundial, en comparación con menos del 3% el año anterior. En 2020, el costo nivelado no subsidiado de la electricidad para la energía solar a gran escala fue de alrededor de $ 36 / MWh, y el costo de instalación alrededor de un dólar por vatio de CC.

Tecnologías convencionales

Muchas naciones industrializadas han instalado una importante capacidad de energía solar en sus redes para complementar o proporcionar una alternativa a las fuentes de energía convencionales , mientras que un número creciente de naciones menos desarrolladas han recurrido a la energía solar para reducir la dependencia de costosos combustibles importados (ver energía solar por país ) . La transmisión a larga distancia permite que los recursos energéticos renovables remotos desplacen el consumo de combustibles fósiles. Las plantas de energía solar utilizan una de dos tecnologías:

Celdas fotovoltaicas

Esquemas de un sistema de energía fotovoltaica residencial conectado a la red

Una célula solar , o célula fotovoltaica (PV), es un dispositivo que convierte la luz en corriente eléctrica utilizando el efecto fotovoltaico . La primera celda solar fue construida por Charles Fritts en la década de 1880. El industrial alemán Ernst Werner von Siemens fue uno de los que reconocieron la importancia de este descubrimiento. En 1931, el ingeniero alemán Bruno Lange desarrolló una fotocélula utilizando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre , aunque las células prototipo de selenio convertían menos del 1% de la luz incidente en electricidad. Siguiendo el trabajo de Russell Ohl en la década de 1940, los investigadores Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin crearon la celda solar de silicio en 1954. Estas primeras celdas solares costaban 286 dólares por vatio y alcanzaron eficiencias del 4,5 al 6%. En 1957, Mohamed M. Atalla desarrolló el proceso de pasivación de la superficie del silicio por oxidación térmica en Bell Labs . Desde entonces, el proceso de pasivación de la superficie ha sido fundamental para la eficiencia de las células solares .

La matriz de un sistema de energía fotovoltaica , o sistema fotovoltaico, produce energía de corriente continua (CC) que fluctúa con la intensidad de la luz solar. Para un uso práctico, esto generalmente requiere la conversión a ciertos voltajes deseados o corriente alterna (CA), mediante el uso de inversores . Varias células solares están conectadas dentro de los módulos. Los módulos se conectan entre sí para formar matrices, luego se conectan a un inversor, que produce energía al voltaje deseado, y para CA, la frecuencia / fase deseada.

Muchos sistemas fotovoltaicos residenciales están conectados a la red siempre que estén disponibles, especialmente en países desarrollados con grandes mercados. En estos sistemas fotovoltaicos conectados a la red , el uso de almacenamiento de energía es opcional. En ciertas aplicaciones, como satélites, faros o en países en desarrollo, a menudo se agregan baterías o generadores de energía adicionales como respaldo. Estos sistemas de energía autónomos permiten operaciones de noche y en otros momentos de luz solar limitada.

Energía solar concentrada

Un colector parabólico concentra la luz solar en un tubo en su punto focal.

La energía solar concentrada (CSP), también llamada "termosolar concentrada", utiliza lentes o espejos y sistemas de seguimiento para concentrar la luz solar, y luego usa el calor resultante para generar electricidad a partir de turbinas de vapor convencionales.

Existe una amplia gama de tecnologías de concentración: entre las más conocidas se encuentran el cilindro parabólico , el reflector lineal compacto de Fresnel , el plato Stirling y la torre de energía solar . Se utilizan varias técnicas para seguir el sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas, la luz solar concentrada calienta un fluido de trabajo y luego se utiliza para la generación de energía o el almacenamiento de energía. El almacenamiento térmico permite de manera eficiente la generación de electricidad durante 24 horas.

Un cilindro parabólico consiste en un reflector parabólico lineal que concentra la luz en un receptor colocado a lo largo de la línea focal del reflector. El receptor es un tubo colocado a lo largo de los puntos focales del espejo parabólico lineal y está lleno de un fluido de trabajo. El reflector está hecho para seguir al sol durante las horas del día siguiendo un solo eje. Los sistemas de colectores cilindro-parabólicos proporcionan el mejor factor de uso del suelo de cualquier tecnología solar. Las plantas de Solar Energy Generating Systems en California y Nevada Solar One de Acciona cerca de Boulder City, Nevada, son representantes de esta tecnología.

Los reflectores de Fresnel lineales compactos son plantas de CSP que utilizan muchas tiras de espejos delgados en lugar de espejos parabólicos para concentrar la luz solar en dos tubos con fluido de trabajo. Esto tiene la ventaja de que se pueden usar espejos planos que son mucho más baratos que los espejos parabólicos, y que se pueden colocar más reflectores en la misma cantidad de espacio, permitiendo que se use más luz solar disponible. Los reflectores concentradores lineales de Fresnel se pueden utilizar en plantas grandes o más compactas.

El plato solar Stirling combina un plato concentrador parabólico con un motor Stirling que normalmente impulsa un generador eléctrico. Las ventajas de la energía solar Stirling sobre las células fotovoltaicas son una mayor eficiencia para convertir la luz solar en electricidad y una vida útil más prolongada. Los sistemas de plato parabólico brindan la mayor eficiencia entre las tecnologías de CSP. El Big Dish de 50 kW en Canberra , Australia, es un ejemplo de esta tecnología.

Una torre de energía solar utiliza una serie de reflectores de seguimiento ( heliostatos ) para concentrar la luz en un receptor central en lo alto de una torre. Las torres de energía pueden lograr una mayor eficiencia (conversión térmica en electricidad) que los esquemas de CSP de seguimiento lineal y una mejor capacidad de almacenamiento de energía que las tecnologías de descarga de platos. La planta de energía solar PS10 y la planta de energía solar PS20 son ejemplos de esta tecnología.

Sistemas híbridos

Un sistema híbrido combina (C) PV y CSP entre sí o con otras formas de generación como diesel, viento y biogás . La forma combinada de generación puede permitir al sistema modular la producción de energía en función de la demanda o al menos reducir la naturaleza fluctuante de la energía solar y el consumo de combustible no renovable. Los sistemas híbridos se encuentran con mayor frecuencia en islas.

Sistema CPV / CSP
Se ha propuesto un novedoso sistema híbrido solar CPV / CSP, que combina la energía fotovoltaica de concentrador con la tecnología no fotovoltaica de la energía solar concentrada, o también conocida como energía solar térmica concentrada.
Sistema de ciclo combinado solar integrado (ISCC)
La central eléctrica de Hassi R'Mel en Argelia es un ejemplo de combinación de CSP con una turbina de gas, donde una matriz de colectores cilindro - parabólicos de CSP de 25 megavatios complementa una planta de turbinas de gas de ciclo combinado de 130 MW mucho más grande . Otro ejemplo es la central eléctrica de Yazd en Irán.
Colector solar híbrido térmico fotovoltaico (PVT)
También conocido como híbrido PV / T, convierte la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Dicho sistema combina un módulo solar (FV) con un colector solar térmico de forma complementaria.
Fotovoltaica concentrada y térmica (CPVT)
Un sistema híbrido térmico fotovoltaico concentrado es similar a un sistema PVT. Utiliza energía fotovoltaica concentrada (CPV) en lugar de tecnología fotovoltaica convencional y la combina con un colector solar térmico.
Sistema fotovoltaico diesel
Combina un sistema fotovoltaico con un generador diesel . Las combinaciones con otras energías renovables son posibles e incluyen turbinas eólicas .
PV- sistema termoeléctrico
Los dispositivos termoeléctricos o "termovoltaicos" convierten una diferencia de temperatura entre materiales diferentes en una corriente eléctrica. Las células solares utilizan solo la parte de alta frecuencia de la radiación, mientras que la energía térmica de baja frecuencia se desperdicia. Se han presentado varias patentes sobre el uso de dispositivos termoeléctricos en conjunto con células solares.

La idea es aumentar la eficiencia del sistema combinado solar / termoeléctrico para convertir la radiación solar en electricidad útil.

Desarrollo y despliegue

Evolución de la producción de energía solar por región
Participación de la producción de electricidad a partir de energía solar, 2019
Despliegue de energía solar
Capacidad en GW por tecnología
100
200
300
400
500
600
700
2007
2010
2013
2016
2019
Despliegue mundial de energía solar por tecnología desde 2006

     Solar PV     CSP - Solar térmica     

Crecimiento de la energía solar fotovoltaica a escala semilogarítmica desde 1992

Generación mundial de electricidad por fuente en 2018. La generación total fue de 26,7 PWh .

  Carbón (38%)
  Gas natural (23%)
  Hidro (16%)
  Nuclear (10%)
  Viento (5%)
  Aceite (3%)
  Solar (2%)
  Biocombustibles (2%)
  Otro (1%)
Generación de energía solar
Año Energía ( TWh ) % del total
2004 2.6 0,01%
2005 3,7 0,02%
2006 5,0 0,03%
2007 6,8 0,03%
2008 11,4 0,06%
2009 19,3 0,10%
2010 31,4 0,15%
2011 60,6 0,27%
2012 96,7 0,43%
2013 134,5 0,58%
2014 185,9 0,79%
2015 253.0 1,05%
2016 328,2 1,31%
2017 442,6 1,73%
2019 724.1 2,68%
Fuentes :

Primeros días

El desarrollo temprano de las tecnologías solares a partir de la década de 1860 fue impulsado por la expectativa de que el carbón pronto escasearía, como los experimentos de Augustin Mouchot . Charles Fritts instaló el primer panel solar fotovoltaico en la azotea del mundo, utilizando células de selenio eficientes al 1% , en un techo de la ciudad de Nueva York en 1884. Sin embargo, el desarrollo de las tecnologías solares se estancó a principios del siglo XX ante la creciente disponibilidad, economía, y utilidad del carbón y el petróleo . En 1974 se calculó que solo seis hogares privados en toda América del Norte se calentaron o enfriaron por completo mediante sistemas funcionales de energía solar. El embargo de petróleo de 1973 y la crisis energética de 1979 provocaron una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo y atrajeron una renovada atención al desarrollo de tecnologías solares. Las estrategias de implementación se enfocaron en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización de Energía Fotovoltaica en los EE. UU. Y el Programa Sunshine en Japón. Otros esfuerzos incluyeron la formación de instalaciones de investigación en los Estados Unidos (SERI, ahora NREL ), Japón ( NEDO ) y Alemania ( Fraunhofer ISE ). Entre 1970 y 1983, las instalaciones de sistemas fotovoltaicos crecieron rápidamente, pero la caída de los precios del petróleo a principios de la década de 1980 moderó el crecimiento de la energía fotovoltaica entre 1984 y 1996.

Mediados de la década de 1990 hasta principios de la de 2010

A mediados de la década de 1990, el desarrollo de las estaciones de energía solar en tejados residenciales y comerciales , así como las centrales fotovoltaicas a escala de servicios públicos, comenzó a acelerarse nuevamente debido a problemas de suministro con petróleo y gas natural, preocupaciones sobre el calentamiento global y la mejora de la posición económica de la energía fotovoltaica en relación con otras tecnologías energéticas. A principios de la década de 2000, la adopción de tarifas de alimentación, un mecanismo de política que da prioridad a las energías renovables en la red y define un precio fijo para la electricidad generada, condujo a un alto nivel de seguridad de la inversión y a un número vertiginoso de implementaciones fotovoltaicas. en Europa.

Estado actual

Durante varios años, el crecimiento mundial de la energía solar fotovoltaica fue impulsado por el despliegue europeo , pero desde entonces se ha trasladado a Asia, especialmente a China y Japón , y a un número creciente de países y regiones de todo el mundo, incluidos, entre otros, Australia , Canadá , Chile , India , Israel , México , Sudáfrica , Corea del Sur , Tailandia y Estados Unidos . En 2012, Tokelau se convirtió en el primer país en funcionar íntegramente con células fotovoltaicas, con un sistema de 1 MW que utiliza baterías para la energía nocturna.

El crecimiento mundial de la energía fotovoltaica ha promediado un 40% anual entre 2000 y 2013 y la capacidad instalada total alcanzó los 303 GW a fines de 2016, siendo China la que tiene la mayor cantidad de instalaciones acumuladas (78 GW) y Honduras el porcentaje teórico más alto de uso anual de electricidad que podría ser generado por energía solar fotovoltaica (12,5%). Los mayores fabricantes se encuentran en China.

La energía solar concentrada (CSP) también comenzó a crecer rápidamente, aumentando su capacidad casi diez veces entre 2004 y 2013, aunque desde un nivel más bajo e involucrando a menos países que la energía solar fotovoltaica. A finales de 2013, la capacidad acumulada mundial de CSP alcanzó los 3.425 MW.

Pronósticos

Despliegues anuales reales de energía solar fotovoltaica frente a las predicciones de la IEA para el período 2002-2016. Las predicciones han subestimado en gran medida y de manera constante el crecimiento real.

En 2010, la Agencia Internacional de Energía predijo que la capacidad solar fotovoltaica global podría alcanzar los 3.000 GW o el 11% de la generación de electricidad mundial proyectada para 2050, suficiente para generar 4.500  TWh de electricidad. Cuatro años más tarde, en 2014, la agencia proyectó que, en su escenario de "altas energías renovables", la energía solar podría suministrar el 27% de la generación de electricidad mundial para 2050 (16% de PV y 11% de CSP).

Según un estudio de 2021, el potencial de generación de electricidad global de los paneles solares en la azotea se estima en 27 PWh por año a un costo que oscila entre $ 40 (Asia) y $ 240 por MWh (EE. UU., Europa). Sin embargo, su realización práctica dependerá de la disponibilidad y el costo de las soluciones de almacenamiento de electricidad escalables.

Centrales fotovoltaicas

La luz del sol del desierto granja solar es una planta de energía de 550 MW en el condado de Riverside, California , que utiliza de película delgada módulos solares de CdTe realizados por First Solar . En noviembre de 2014, la granja solar Topaz de 550 megavatios era la planta de energía fotovoltaica más grande del mundo. Esto fue superado por el complejo Solar Star de 579 MW . La actual central fotovoltaica más grande del mundo es el Parque Solar Pavagada , Karnataka, India , con una capacidad de generación de 2050 MW.

Las mayores centrales fotovoltaicas a febrero de 2020
Nombre País Capacidad
MW p
Generación
GWh pa
Tamaño
km 2
Año Árbitro
Parque Solar Pavagada India 2.050 53 2017
Parque solar del desierto de Tengger porcelana 1,547 43 2016
Parque Solar Bhadla India 1,515 40 2017
Parque solar Kurnool Ultra Mega India 1.000 24 2017
Base de corredor superior de energía solar Datong porcelana 1.000 2016
Parque solar Longyangxia Dam porcelana 850 23 2015
Rewa Ultra Mega Solar India 750 2018
Proyecto de energía solar Kamuthi India 648 10.1 2016
Estrella solar (I y II) Estados Unidos 579 1,664 13 2015
Granja Solar Topaz Estados Unidos 550 1,301 24,6 2014

Centrales solares de concentración

Ivanpah Solar Electric Generating System con las tres torres bajo carga durante febrero de 2014, con la Cordillera de Clark visto en la distancia

Las plantas comerciales de energía solar de concentración (CSP), también llamadas "estaciones de energía solar térmica", se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. La instalación de energía solar Ivanpah de 377 MW , ubicada en el desierto de Mojave de California, es el proyecto de planta de energía solar térmica más grande del mundo. Otras grandes plantas termosolares son la Central Solar Solnova (150 MW), la Central Solar Andasol (150 MW) y la Central Solar Extresol (150 MW), todas en España. La principal ventaja de la CSP es la capacidad de agregar almacenamiento térmico de manera eficiente, lo que permite el envío de electricidad durante un período de hasta 24 horas. Dado que la demanda máxima de electricidad ocurre típicamente alrededor de las 5 pm, muchas plantas de energía CSP utilizan de 3 a 5 horas de almacenamiento térmico.

Las mayores centrales térmicas solares operativas
Nombre Capacidad
( MW )
Localización Notas
Planta de energía solar de Ivanpah 392 Desierto de Mojave , California , EE. En funcionamiento desde febrero de 2014. Ubicado al suroeste de Las Vegas .
Sistemas de generación de energía solar 354 Desierto de Mojave, California, EE. Encargado entre 1984 y 1991. Colección de 9 unidades.
Proyecto Solar Mojave 280 Barstow , California, Estados Unidos Completado en diciembre de 2014
Estación Generadora Solana 280 Gila Bend , Arizona , Estados Unidos Finalizado en octubre de 2013
Incluye un almacenamiento de energía térmica de 6 horas
Proyecto Genesis Solar Energy 250 Blythe , California, Estados Unidos Completado en abril de 2014
Estación de energía solar Solaben 200 Logrosán , España Completado 2012-2013
No o yo 160 Marruecos Completado 2016
Estación de energía solar Solnova 150 Sevilla , España Terminado en 2010
Central solar Andasol 150 Granada , España Finalizado en 2011. Incluye un almacenamiento de energía térmica de 7,5 h.
Estación de energía solar Extresol 150 Torre de Miguel Sesmero , España Completado 2010-2012
Extresol 3 incluye un almacenamiento de energía térmica de 7,5 horas
Para obtener una lista más detallada, obtenida y completa, consulte: Lista de estaciones de energía solar térmica # Artículo operativo o correspondiente.

Ciencias económicas

Costo por vatio

Ley de Swanson : la curva de aprendizaje fotovoltaica
Energía solar fotovoltaica - LCOE para Europa hasta 2020 (en euro-cts. Por kWh )
Capacidad fotovoltaica económica vs costo de instalación en los Estados Unidos con y sin el Crédito Tributario por Inversión (ITC) federal

Los factores de costo típicos de la energía solar incluyen los costos de los módulos, el marco para sostenerlos, el cableado, los inversores, el costo de la mano de obra, cualquier terreno que pueda ser necesario, la conexión a la red, el mantenimiento y la insolación solar que recibirá esa ubicación.

Los sistemas fotovoltaicos no utilizan combustible y los módulos suelen durar de 25 a 40 años. Por lo tanto, los costos de capital constituyen la mayor parte del costo de la energía solar. Se estima que los costos de operación y mantenimiento para las nuevas plantas solares a escala de servicios públicos en los EE. UU. Son el 9 por ciento del costo de la electricidad fotovoltaica y el 17 por ciento del costo de la electricidad solar térmica. Los gobiernos han creado varios incentivos financieros para fomentar el uso de la energía solar, como los programas de tarifas de alimentación . Además, los estándares de la cartera de energías renovables imponen un mandato gubernamental de que las empresas de servicios públicos generen o adquieran un cierto porcentaje de energía renovable independientemente del aumento de los costos de adquisición de energía.

Precios de instalación actuales

Precios del sistema fotovoltaico a escala de servicios públicos
País Costo ($ / W) Año y referencias
Australia 2.0 2013
porcelana 1.4 2013
Francia 2.2 2013
Alemania 1.4 2013
Italia 1,5 2013
Japón 2.9 2013
Reino Unido 1,9 2013
Estados Unidos 0,70 2020

En 2021, la energía solar residencial costaba de 2 a 4 dólares / vatio (pero las tejas solares costaban mucho más) y los costos de energía solar eran de alrededor de $ 1 / vatio.

Productividad por ubicación

La productividad de la energía solar en una región depende de la irradiancia solar , que varía a lo largo del día y está influenciada por la latitud y el clima . También depende de la temperatura y las condiciones de suciedad locales .

Los lugares con mayor irradiancia solar anual se encuentran en los trópicos áridos y subtrópicos. Los desiertos que se encuentran en latitudes bajas generalmente tienen pocas nubes y pueden recibir luz solar durante más de diez horas al día. Estos desiertos calientes forman el Cinturón Solar Global que rodea el mundo. Este cinturón consta de extensas extensiones de tierra en el norte de África , el sur de África , el suroeste de Asia , Medio Oriente y Australia , así como los desiertos mucho más pequeños de América del Norte y del Sur . Según la NASA, se ha observado que el desierto del Sahara oriental de África , también conocido como el desierto de Libia , es el lugar más soleado de la Tierra.

Las diferentes medidas de irradiancia solar ( irradiancia normal directa, irradiancia horizontal global) se mapean a continuación:

Costo nivelado de la electricidad

La industria fotovoltaica ha adoptado el costo nivelado de la electricidad (LCOE) como unidad de costo. La energía eléctrica generada se vende en unidades de kilovatios-hora (kWh). Como regla general, y dependiendo de la insolación local , 1 vatio pico de capacidad solar fotovoltaica instalada genera alrededor de 1 a 2 kWh de electricidad por año. Esto corresponde a un factor de capacidad de alrededor del 10-20%. El producto del costo local de la electricidad y la insolación determina el punto de equilibrio de la energía solar. La Conferencia Internacional sobre Inversiones Solares Fotovoltaicas, organizada por EPIA , ha estimado que los sistemas fotovoltaicos compensarán a sus inversores en 8 a 12 años. Como resultado, desde 2006 ha sido económico para los inversores instalar energía fotovoltaica de forma gratuita a cambio de un contrato de compra de energía a largo plazo . El cincuenta por ciento de los sistemas comerciales en los Estados Unidos se instalaron de esta manera en 2007 y más del 90% en 2009.

Shi Zhengrong ha dicho que, a partir de 2012, la energía solar no subsidiada ya era competitiva con los combustibles fósiles en India, Hawái, Italia y España. Dijo: "Estamos en un punto de inflexión. Las fuentes de energía renovable como la solar y la eólica ya no son un lujo de los ricos. Ahora están comenzando a competir en el mundo real sin subsidios". "La energía solar podrá competir sin subsidios con las fuentes de energía convencionales en la mitad del mundo en 2015".

Palo Alto California firmó un acuerdo de compra al por mayor en 2016 que aseguraba la energía solar por 3,7 centavos por kilovatio-hora. Y en la soleada Dubai , la electricidad generada por energía solar a gran escala se vendió en 2016 por solo 2,99 centavos de dólar por kilovatio-hora, "competitiva con cualquier forma de electricidad basada en fósiles, y más barata que la mayoría". En 2020, el proyecto del PNUD "Resiliencia rural mejorada en Yemen" (ERRY), que utiliza microrredes solares de propiedad comunitaria, logró reducir los costos de energía a solo 2 centavos por hora (mientras que la electricidad generada con diesel cuesta 42 centavos por hora). A octubre de 2020, el costo nivelado no subsidiado de la electricidad para la energía solar a gran escala es de alrededor de $ 36 / MWh.

Paridad de la red

La paridad de la red, el punto en el que el costo de la electricidad fotovoltaica es igual o más barato que el precio de la red eléctrica , se logra más fácilmente en áreas con abundante sol y altos costos de electricidad como en California y Japón . En 2008, el costo nivelado de la electricidad para la energía solar fotovoltaica fue de $ 0.25 / kWh o menos en la mayoría de los países de la OCDE . Para fines de 2011, se pronosticó que el costo de carga completa caería por debajo de $ 0,15 / kWh para la mayor parte de la OCDE y llegaría a $ 0,10 / kWh en las regiones más soleadas. Estos niveles de costos están impulsando tres tendencias emergentes: integración vertical de la cadena de suministro, creación de acuerdos de compra de energía (PPA) por parte de las empresas de energía solar y riesgo inesperado para las empresas tradicionales de generación de energía, los operadores de redes y los fabricantes de turbinas eólicas .

La paridad de red se alcanzó por primera vez en España en 2013, Hawái y otras islas que de otro modo utilizan combustibles fósiles ( combustible diésel ) para producir electricidad, y se espera que la mayor parte de los EE. UU. Alcance la paridad de red en 2015.

En 2007, el ingeniero jefe de General Electric predijo la paridad de la red sin subsidios en las zonas soleadas de Estados Unidos alrededor de 2015; Otras empresas predijeron una fecha anterior: el costo de la energía solar estará por debajo de la paridad de la red para más de la mitad de los clientes residenciales y el 10% de los clientes comerciales en la OCDE , siempre que los precios de la electricidad de la red no disminuyan hasta 2010.

Autoconsumo

En los casos de autoconsumo de energía solar, el tiempo de recuperación se calcula en función de la cantidad de electricidad que no se compra a la red. Sin embargo, en muchos casos, los patrones de generación y consumo no coinciden y parte o toda la energía se retroalimenta a la red. La electricidad se vende y, en otras ocasiones, cuando se toma energía de la red, se compra electricidad. Los costos relativos y los precios obtenidos afectan la economía. En muchos mercados, el precio que se paga por la electricidad fotovoltaica vendida es significativamente más bajo que el precio de la electricidad comprada, lo que incentiva el autoconsumo. Además, se han utilizado incentivos de autoconsumo separados, por ejemplo, en Alemania e Italia. La regulación de la interacción de la red también ha incluido limitaciones de la alimentación de la red en algunas regiones de Alemania con grandes cantidades de capacidad fotovoltaica instalada. Al aumentar el autoconsumo, la alimentación de la red se puede limitar sin restricciones , lo que desperdicia electricidad.

Un buen emparejamiento entre generación y consumo es clave para un alto autoconsumo. El partido se puede mejorar con baterías o consumo eléctrico controlable. Sin embargo, las baterías son caras y la rentabilidad puede requerir la prestación de otros servicios de ellas además del aumento del autoconsumo. Los tanques de almacenamiento de agua caliente con calefacción eléctrica con bombas de calor o calentadores de resistencia pueden proporcionar un almacenamiento de bajo costo para el autoconsumo de energía solar. Las cargas desplazables, como lavavajillas, secadoras y lavadoras, pueden proporcionar un consumo controlable con un efecto limitado en los usuarios, pero su efecto sobre el autoconsumo de energía solar puede ser limitado.

Precios e incentivos de la energía

El propósito político de las políticas de incentivos para la energía fotovoltaica es facilitar un despliegue inicial a pequeña escala para comenzar a hacer crecer la industria, incluso cuando el costo de la energía fotovoltaica está significativamente por encima de la paridad de la red, para permitir que la industria logre las economías de escala necesarias para alcanzar la red. paridad. Las políticas se implementan para promover la independencia energética nacional, la creación de empleo de alta tecnología y la reducción de emisiones de CO 2 . A menudo se utilizan tres mecanismos de incentivos en combinación como subsidios a la inversión: las autoridades reembolsan parte del costo de instalación del sistema, la empresa de electricidad compra electricidad fotovoltaica al productor en virtud de un contrato de varios años a una tarifa garantizada y los certificados de energía solar renovable (SREC). )

Reembolsos

Con los subsidios a la inversión, la carga financiera recae sobre el contribuyente, mientras que con las tarifas de alimentación, el costo adicional se distribuye entre las bases de clientes de las empresas de servicios públicos. Si bien el subsidio a la inversión puede ser más sencillo de administrar, el principal argumento a favor de las tarifas de alimentación es el fomento de la calidad. Los subsidios a la inversión se pagan en función de la capacidad nominal del sistema instalado y son independientes de su rendimiento energético real a lo largo del tiempo, recompensando así la exageración de la energía y tolerando una durabilidad y un mantenimiento deficientes. Algunas compañías eléctricas ofrecen reembolsos a sus clientes, como Austin Energy en Texas , que ofrece $ 2.50 / vatio instalado hasta $ 15,000.

Medición neta

La medición neta , a diferencia de una tarifa de alimentación , requiere solo un metro, pero debe ser bidireccional.

En la medición neta, el precio de la electricidad producida es el mismo que el precio ofrecido al consumidor, y al consumidor se le factura la diferencia entre la producción y el consumo. La medición neta generalmente se puede realizar sin cambios en los medidores de electricidad estándar , que miden con precisión la energía en ambas direcciones e informan automáticamente la diferencia, y porque permiten a los propietarios de viviendas y empresas generar electricidad en un momento diferente del consumo, utilizando de manera efectiva la red como fuente de alimentación. batería de almacenamiento gigante. Con la medición neta, los déficits se facturan cada mes, mientras que los excedentes se transfieren al mes siguiente. Las mejores prácticas exigen una renovación permanente de los créditos de kWh. Los créditos en exceso al finalizar el servicio se pierden o se pagan a una tasa que varía de mayorista a minorista o superior, al igual que los créditos anuales en exceso. En Nueva Jersey, los créditos excedentes anuales se pagan a la tasa mayorista, al igual que los créditos restantes cuando un cliente cancela el servicio.

Tarifas de alimentación (FIT)

Con las tarifas de alimentación , la carga financiera recae sobre el consumidor. Recompensan la cantidad de kilovatios-hora producidos durante un largo período de tiempo, pero debido a que la tasa la establecen las autoridades, puede resultar en un pago en exceso percibido. El precio pagado por kilovatio-hora bajo una tarifa de alimentación excede el precio de la electricidad de la red. La medición neta se refiere al caso en el que el precio pagado por la empresa de servicios públicos es el mismo que el precio cobrado.

La complejidad de las aprobaciones en California, España e Italia ha impedido un crecimiento comparable al de Alemania, aunque el retorno de la inversión es mejor. En algunos países, se ofrecen incentivos adicionales para la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) en comparación con la energía fotovoltaica independiente:

  • Francia + 0,16 EUR / kWh (en comparación con semiintegrado) o + 0,27 EUR / kWh (en comparación con el sistema independiente)
  • Italia + EUR 0,04–0,09 kWh
  • Alemania + 0,05 EUR / kWh (solo fachadas)

Créditos de energía renovable solar (SREC)

Alternativamente, los Certificados de Energía Solar Renovable (SREC) permiten un mecanismo de mercado para fijar el precio del subsidio a la electricidad generada por energía solar. En este mecanismo, se establece el objetivo de producción o consumo de energía renovable, y la empresa de servicios públicos (más técnicamente la Entidad Servidora de Carga) está obligada a comprar energía renovable o enfrentar una multa (Pago de Cumplimiento Alternativo o ACP). Al productor se le acredita una SREC por cada 1000 kWh de electricidad producida. Si la empresa de servicios públicos compra este SREC y lo retira, evita pagar el ACP. En principio, este sistema ofrece la energía renovable más barata, ya que todas las instalaciones solares son elegibles y pueden instalarse en la mayoría de las ubicaciones económicas. Las incertidumbres sobre el valor futuro de los SREC han llevado a que los mercados de contratos de SREC a largo plazo den claridad a sus precios y permitan a los desarrolladores solares pre-vender y cubrir sus créditos.

Los incentivos financieros para la energía fotovoltaica difieren entre países, incluidos Australia , China , Alemania , Israel , Japón y los Estados Unidos e incluso entre los estados dentro de los EE. UU.

El gobierno japonés, a través de su Ministerio de Industria y Comercio Internacional, llevó a cabo un exitoso programa de subvenciones de 1994 a 2003. A finales de 2004, Japón era el líder mundial en capacidad fotovoltaica instalada con más de 1,1  GW .

En 2004, el gobierno alemán introdujo el primer sistema de tarifas de alimentación a gran escala, bajo la Ley de Energía Renovable de Alemania , que resultó en un crecimiento explosivo de las instalaciones fotovoltaicas en Alemania. Al principio, el FIT era más de 3 veces el precio minorista u 8 veces el precio industrial. El principio detrás del sistema alemán es un contrato de tarifa plana de 20 años. El valor de los nuevos contratos está programado para disminuir cada año, con el fin de alentar a la industria a traspasar los costos más bajos a los usuarios finales. El programa ha tenido más éxito de lo esperado con más de 1GW instalado en 2006, y la presión política está aumentando para reducir la tarifa y reducir la carga futura sobre los consumidores.

Posteriormente, España , Italia , Grecia —que disfrutó de un éxito temprano con instalaciones termosolares domésticas para las necesidades de agua caliente— y Francia introdujeron tarifas de alimentación. Sin embargo, ninguno ha replicado la disminución programada de FIT en nuevos contratos, lo que hace que el incentivo alemán sea relativamente cada vez menos atractivo en comparación con otros países. California, Grecia, Francia e Italia tienen entre un 30% y un 50% más de insolación que Alemania, lo que las hace más atractivas desde el punto de vista financiero.

Integración a la red

Construcción de los tanques de sal que proporcionan un almacenamiento eficiente de energía térmica para que la producción se pueda proporcionar después de la puesta del sol y la producción se pueda programar para satisfacer los requisitos de la demanda. La Central Generadora Solana de 280 MW está diseñada para proporcionar seis horas de almacenamiento de energía. Esto permite que la planta genere alrededor del 38% de su capacidad nominal en el transcurso de un año.
Almacenamiento de energía térmica . La planta de CSP de Andasol utiliza tanques de sal fundida para almacenar energía solar.
Hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (PSH). Esta instalación en Geesthacht , Alemania, también incluye un panel solar.

La inmensa mayoría de la electricidad producida en todo el mundo se utiliza de inmediato, ya que el almacenamiento suele ser más caro y porque los generadores tradicionales pueden adaptarse a la demanda. Tanto la energía solar como la energía eólica son energías renovables variables , lo que significa que toda la producción disponible debe tomarse siempre que esté disponible moviéndose a través de líneas de transmisión hasta donde se pueda usar ahora . Dado que la energía solar no está disponible por la noche, almacenar su energía es potencialmente un problema importante, particularmente en situaciones fuera de la red y para que los escenarios futuros de energía 100% renovable tengan una disponibilidad continua de electricidad.

La electricidad solar es inherentemente variable y predecible según la hora del día, la ubicación y las estaciones. Además, la energía solar es intermitente debido a los ciclos día / noche y al clima impredecible. La cantidad de energía solar que representa un desafío especial en una empresa eléctrica determinada varía significativamente. En un pico de servicios públicos de verano , la energía solar se adapta bien a las demandas de enfriamiento durante el día. En los picos de servicios públicos invernales , la energía solar desplaza otras formas de generación, reduciendo sus factores de capacidad .

En un sistema eléctrico sin almacenamiento de energía en la red , la generación a partir de combustibles almacenados (carbón, biomasa, gas natural, nuclear) debe subir y bajar en reacción a la subida y bajada de la electricidad solar (ver carga después de la central eléctrica ). Si bien las plantas hidroeléctricas y de gas natural pueden responder rápidamente a los cambios en la carga, las plantas de carbón, biomasa y nucleares generalmente toman un tiempo considerable para responder a la carga y solo se pueden programar para seguir la variación predecible. Dependiendo de las circunstancias locales, más allá de aproximadamente el 20-40% de la generación total, las fuentes intermitentes conectadas a la red, como la solar, tienden a requerir inversiones en alguna combinación de interconexiones a la red , almacenamiento de energía o gestión del lado de la demanda . La integración de grandes cantidades de energía solar con los equipos de generación existentes ha causado problemas en algunos casos. Por ejemplo, en Alemania, California y Hawái, se sabe que los precios de la electricidad se vuelven negativos cuando la energía solar genera mucha energía, desplazando los contratos de generación de carga base existentes .

La hidroelectricidad convencional funciona muy bien junto con la energía solar; el agua se puede retener o liberar de un depósito según sea necesario. Cuando no se dispone de un río adecuado, la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo utiliza energía solar para bombear agua a un depósito alto en días soleados, luego la energía se recupera por la noche y con mal tiempo liberando agua a través de una planta hidroeléctrica a un depósito bajo donde el El ciclo puede comenzar de nuevo. Este ciclo puede perder el 20% de la energía por ineficiencias de ida y vuelta, esto más los costos de construcción se suman al gasto de implementar altos niveles de energía solar.

Las plantas de energía solar concentrada pueden utilizar almacenamiento térmico para almacenar energía solar, como sales fundidas a alta temperatura. Estas sales son un medio de almacenamiento eficaz porque son de bajo costo, tienen una alta capacidad calorífica específica y pueden proporcionar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. Este método de almacenamiento de energía es utilizado, por ejemplo, por la central Solar Two , lo que le permite almacenar 1,44  TJ en su tanque de almacenamiento de 68 m 3 , suficiente para proporcionar una producción completa durante cerca de 39 horas, con una eficiencia de aproximadamente el 99%. .

En los sistemas fotovoltaicos independientes, las baterías se utilizan tradicionalmente para almacenar el exceso de electricidad. Con el sistema de energía fotovoltaica conectado a la red , el exceso de electricidad se puede enviar a la red eléctrica . Los programas de medición neta y de tarifas de alimentación otorgan a estos sistemas un crédito por la electricidad que producen. Este crédito compensa la electricidad proporcionada por la red cuando el sistema no puede satisfacer la demanda, comerciando efectivamente con la red en lugar de almacenar el exceso de electricidad. Los créditos normalmente se transfieren de un mes a otro y cualquier excedente restante se liquida anualmente. Cuando la energía eólica y solar son una pequeña fracción de la energía de la red, otras técnicas de generación pueden ajustar su producción de manera apropiada, pero a medida que estas formas de energía variable crecen, se necesita un equilibrio adicional en la red. Dado que los precios están bajando rápidamente, los sistemas fotovoltaicos utilizan cada vez más baterías recargables para almacenar un excedente que luego se utilizará por la noche. Baterías usadas para la red de almacenamiento pueden estabilizar la red eléctrica por la nivelación de cargas de pico de alrededor de una hora o más. En el futuro, las baterías menos costosas podrían desempeñar un papel importante en la red eléctrica, ya que pueden cargarse durante los períodos en que la generación excede la demanda y alimentar su energía almacenada a la red cuando la demanda es mayor que la generación.

Las tecnologías de baterías comunes que se utilizan en los sistemas fotovoltaicos domésticos actuales incluyen la batería de plomo-ácido regulada por válvula , una versión modificada de la batería de plomo-ácido convencional , baterías de níquel-cadmio y de iones de litio. Las baterías de plomo-ácido son actualmente la tecnología predominante utilizada en los sistemas fotovoltaicos residenciales de pequeña escala, debido a su alta confiabilidad, baja autodescarga y costos de inversión y mantenimiento, a pesar de una vida útil más corta y una menor densidad de energía. Las baterías de iones de litio tienen el potencial de reemplazar las baterías de plomo-ácido en un futuro cercano, ya que se están desarrollando intensamente y se esperan precios más bajos debido a las economías de escala proporcionadas por las grandes instalaciones de producción como la Gigafábrica 1 . Además, las baterías de iones de litio de los coches eléctricos enchufables pueden servir como futuros dispositivos de almacenamiento en un sistema de vehículo a red . Dado que la mayoría de los vehículos están estacionados un promedio del 95% del tiempo, sus baterías podrían usarse para permitir que la electricidad fluya desde el automóvil hasta las líneas eléctricas y viceversa. Otras baterías recargables utilizadas para sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen baterías redox de sodio-azufre y vanadio , dos tipos prominentes de una sal fundida y una batería de flujo , respectivamente.

La combinación de energía eólica y solar fotovoltaica tiene la ventaja de que las dos fuentes se complementan porque las horas pico de funcionamiento de cada sistema ocurren en diferentes momentos del día y del año. La generación de energía de tales sistemas de energía híbrida solar es, por lo tanto, más constante y fluctúa menos que cada uno de los subsistemas de dos componentes. La energía solar es estacional, particularmente en los climas del norte / sur, lejos del ecuador, lo que sugiere la necesidad de un almacenamiento estacional a largo plazo en un medio como el hidrógeno o la hidroeléctrica de bombeo. El Instituto de Tecnología de Suministro de Energía Solar de la Universidad de Kassel hizo una prueba piloto de una planta de energía combinada que conecta energía solar, eólica, biogás y energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo para proporcionar energía de seguimiento de carga a partir de fuentes renovables.

También se realizan investigaciones en este campo de la fotosíntesis artificial . Implica el uso de nanotecnología para almacenar energía electromagnética solar en enlaces químicos, dividiendo el agua para producir combustible de hidrógeno o luego combinándola con dióxido de carbono para producir biopolímeros como el metanol . Muchos grandes proyectos de investigación nacionales y regionales sobre fotosíntesis artificial están tratando ahora de desarrollar técnicas que integren captura de luz mejorada, métodos de transferencia de electrones de coherencia cuántica y materiales catalíticos baratos que operan en una variedad de condiciones atmosféricas. Investigadores de alto nivel en el campo han presentado el caso de política pública para un Proyecto Global sobre Fotosíntesis Artificial para abordar cuestiones críticas de seguridad energética y sostenibilidad ambiental.

Impactos ambientales

Parte del Senftenberg Solarpark , una planta de energía solar fotovoltaica ubicada en antiguas áreas mineras a cielo abierto cerca de la ciudad de Senftenberg , en el este de Alemania. La Fase 1 de 78 MW de la planta se completó en tres meses.

A diferencia de las tecnologías basadas en combustibles fósiles , la energía solar no genera emisiones nocivas durante el funcionamiento, pero la producción de los paneles genera cierta cantidad de contaminación.

Gases de invernadero

Las emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida de la energía solar están en el rango de 22 a 46 gramos (g) por kilovatio-hora (kWh) dependiendo de si se está analizando la energía solar térmica o la energía solar fotovoltaica, respectivamente. Con esto potencialmente disminuyendo a 15 g / kWh en el futuro. A modo de comparación (de promedios ponderados), una central eléctrica de ciclo combinado a gas emite entre 400 y 599 g / kWh, una central eléctrica a petróleo 893 g / kWh, una central eléctrica a carbón 915 a 994 g / kWh y una geotermia de alta temperatura. planta de energía 91-122 g / kWh. La intensidad de emisión del ciclo de vida de la energía hidroeléctrica , eólica y nuclear es más baja que la solar a partir de 2011, según lo publicado por el IPCC y se analiza en el artículo Emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida de las fuentes de energía . Al igual que en todas las fuentes de energía en las que las emisiones totales de su ciclo de vida se encuentran principalmente en la fase de construcción y transporte, el cambio a energía baja en carbono en la fabricación y transporte de dispositivos solares reduciría aún más las emisiones de carbono. BP Solar posee dos fábricas construidas por Solarex (una en Maryland y la otra en Virginia) en las que toda la energía utilizada para fabricar paneles solares es producida por paneles solares. Un sistema de 1 kilovatio elimina la quema de aproximadamente 170 libras de carbón, 300 libras de dióxido de carbono que se liberan a la atmósfera y ahorra hasta 400 litros (105 gal EE.UU.) de consumo de agua al mes.

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. ( NREL ), al armonizar las estimaciones dispares de las emisiones de GEI del ciclo de vida de la energía solar fotovoltaica, descubrió que el parámetro más crítico era la insolación solar del sitio: los factores de emisión de GEI de la energía solar fotovoltaica son inversamente proporcionales a la insolación. . Para un sitio con una insolación de 1700 kWh / m2 / año, típico del sur de Europa, los investigadores de NREL estimaron emisiones de GEI de 45 g CO
2
e / kWh. Utilizando los mismos supuestos, en Phoenix, EE. UU., Con una insolación de 2400 kWh / m2 / año, el factor de emisiones de GEI se reduciría a 32 g de CO 2 e / kWh.

El Comisionado Parlamentario de Medio Ambiente de Nueva Zelanda descubrió que la energía solar fotovoltaica tendría poco impacto en las emisiones de gases de efecto invernadero del país. El país ya genera el 80 por ciento de su electricidad a partir de recursos renovables (principalmente hidroeléctrica y geotérmica) y el uso de electricidad nacional alcanza su punto máximo en las noches de invierno, mientras que la generación solar alcanza su punto máximo en las tardes de verano, lo que significa que una gran absorción de energía solar fotovoltaica terminaría desplazando a otros generadores renovables antes que los fósiles. -Plantas eléctricas alimentadas.

La fabricación de paneles solares requiere trifluoruro de nitrógeno (NF 3 ), que es un potente gas de efecto invernadero y con el aumento de la producción fotovoltaica, su uso ha aumentado en más de un 1000% en los últimos 25 años.

Recuperación de la energía

El tiempo de recuperación de la energía (EPBT) de un sistema de generación de energía es el tiempo necesario para generar tanta energía como se consume durante la producción y la vida útil del sistema. Debido a la mejora de las tecnologías de producción, el tiempo de recuperación ha disminuido constantemente desde la introducción de los sistemas fotovoltaicos en el mercado energético. En 2000, el tiempo de recuperación de la energía de los sistemas fotovoltaicos se estimó en 8 a 11 años y en 2006 se estimó en 1,5 a 3,5 años para los sistemas fotovoltaicos de silicio cristalino y de 1 a 1,5 años para las tecnologías de película delgada (Europa del Sur). Estas cifras cayeron a 0,75–3,5 años en 2013, con un promedio de aproximadamente 2 años para los sistemas fotovoltaicos y CIS de silicio cristalino.

Otra medida económica, estrechamente relacionada con el tiempo de recuperación de la energía, es la energía devuelta sobre la energía invertida (EROEI) o el rendimiento energético de la inversión (EROI), que es la proporción de electricidad generada dividida por la energía necesaria para construir y mantener el equipo. (Esto no es lo mismo que el retorno económico de la inversión (ROI), que varía según los precios locales de la energía, los subsidios disponibles y las técnicas de medición). Con una vida útil esperada de 30 años, el EROEI de los sistemas fotovoltaicos está en el rango de 10 a 30, generando así suficiente energía a lo largo de su vida para reproducirse muchas veces (6-31 reproducciones) dependiendo del tipo de material, el equilibrio del sistema (BOS) y la ubicación geográfica del sistema.

Uso del agua

La energía solar incluye las plantas con el menor consumo de agua por unidad de electricidad (fotovoltaica) y también las plantas de energía con el mayor consumo de agua (energía solar de concentración con sistemas de refrigeración húmeda).

Las plantas de energía fotovoltaica utilizan muy poca agua para sus operaciones. Se estima que el consumo de agua durante el ciclo de vida para operaciones a escala de servicios públicos es de 45 litros (12 galones estadounidenses) por megavatio-hora para la energía solar fotovoltaica de panel plano. Solo la energía eólica, que prácticamente no consume agua durante las operaciones, tiene una menor intensidad de consumo de agua.

Las plantas de energía solar de concentración con sistemas de enfriamiento húmedo, por otro lado, tienen las intensidades de consumo de agua más altas de cualquier tipo convencional de planta de energía eléctrica; solo las plantas de combustibles fósiles con captura y almacenamiento de carbono pueden tener mayores intensidades de agua. Un estudio de 2013 que comparó varias fuentes de electricidad encontró que el consumo medio de agua durante las operaciones de plantas de energía solar de concentración con enfriamiento húmedo fue de 3,1 metros cúbicos por megavatio-hora (810 gal EE.UU. / MWh) para plantas de torre de energía y 3,4 m 3 / MWh ( 890 US gal / MWh) para plantas de canal. Esto fue más alto que el consumo de agua operativo (con torres de enfriamiento) para energía nuclear a 2,7 m 3 / MWh (720 US gal / MWh), carbón a 2,0 m 3 / MWh (530 US gal / MWh) o gas natural a 0,79 m 3 / MWh (210 galones estadounidenses / MWh). Un estudio de 2011 del Laboratorio Nacional de Energía Renovable llegó a conclusiones similares: para las plantas de energía con torres de enfriamiento, el consumo de agua durante las operaciones fue de 3,27 m 3 / MWh (865 US gal / MWh) para la cubeta de CSP, 2,98 m 3 / MWh (786 US gal / MWh) gal / MWh) para torre CSP, 2,60 m 3 / MWh (687 gal EE.UU. / MWh) para carbón, 2,54 m 3 / MWh (672 gal EE.UU. / MWh) para energía nuclear y 0,75 m 3 / MWh (198 gal EE.UU. / MWh ) para gas natural. La Asociación de Industrias de Energía Solar señaló que la planta de CSP a través de Nevada Solar One consume 3,2 m 3 / MWh (850 gal EE.UU. / MWh). El problema del consumo de agua se agrava porque las plantas de CSP a menudo se encuentran en entornos áridos donde el agua es escasa.

En 2007, el Congreso de los Estados Unidos ordenó al Departamento de Energía que informara sobre las formas de reducir el consumo de agua mediante la CSP. El informe posterior señaló que se disponía de tecnología de enfriamiento seco que, aunque más costosa de construir y operar, podría reducir el consumo de agua por CSP entre un 91 y un 95 por ciento. Un sistema de enfriamiento híbrido húmedo / seco podría reducir el consumo de agua entre un 32 y un 58 por ciento. Un informe de 2015 de NREL señaló que de las 24 plantas de energía CSP en funcionamiento en los EE. UU., 4 usaban sistemas de enfriamiento seco. Los cuatro sistemas enfriados en seco fueron las tres plantas de energía en la Planta de Energía Solar de Ivanpah cerca de Barstow, California , y el Proyecto de Energía Solar Genesis en el Condado de Riverside, California . De 15 proyectos de CSP en construcción o desarrollo en los EE. UU. A marzo de 2015, 6 eran sistemas húmedos, 7 eran sistemas secos, 1 híbrido y 1 no especificado.

Aunque muchas plantas de energía termoeléctrica más antiguas con enfriamiento de un solo paso o estanques de enfriamiento usan más agua que la CSP, lo que significa que más agua pasa a través de sus sistemas, la mayor parte del agua de enfriamiento regresa al cuerpo de agua disponible para otros usos, y consumen menos agua al evaporación. Por ejemplo, la central eléctrica de carbón mediana en los EE. UU. Con enfriamiento de paso único usa 138 m 3 / MWh (36,350 US gal / MWh), pero solo 0.95 m 3 / MWh (250 US gal / MWh) (menos del uno por ciento) se pierde por evaporación. Desde la década de 1970, la mayoría de las centrales eléctricas de EE. UU. Han utilizado sistemas de recirculación, como torres de enfriamiento, en lugar de sistemas de paso único.

Uso de la tierra, deforestación y oposición residencial

La densidad de potencia de la superficie durante el ciclo de vida de la energía solar se estima en 6,63 W / m2, que es dos órdenes de magnitud menos que los combustibles fósiles y la energía nuclear . El factor de capacidad de la energía fotovoltaica también es relativamente bajo, generalmente por debajo del 15%. Como resultado, la energía fotovoltaica requiere cantidades mucho mayores de superficie terrestre para producir la misma cantidad nominal de energía que las fuentes con mayor densidad de potencia superficial y factor de capacidad. Según un estudio de 2021, obtener el 80% de la energía fotovoltaica para 2050 requeriría hasta un 2,8% de la masa terrestre total en la Unión Europea y hasta un 5% en países como Japón y Corea del Sur. Es probable que la ocupación de áreas tan grandes para granjas fotovoltaicas genere oposición residencial, así como la deforestación, la eliminación de vegetación y la conversión de tierras agrícolas.

Un análisis del ciclo de vida publicado en 2014 del uso de la tierra para diversas fuentes de electricidad concluyó que la implementación a gran escala de la energía solar y eólica reduce potencialmente los impactos ambientales relacionados con la contaminación. El estudio encontró que la huella de uso de la tierra, expresada en metros cuadrados-año por megavatio-hora (m 2 a / MWh), fue más baja para el viento, el gas natural y la energía fotovoltaica en los tejados, con 0,26, 0,49 y 0,59, respectivamente, y siguió por energía solar fotovoltaica a gran escala con 7,9. Para la CSP, la huella fue de 9 y 14, utilizando colectores cilindro-parabólicos y torres solares, respectivamente. La huella más grande tuvo plantas de energía de carbón con 18 m 2 a / MWh. El estudio excluyó la energía nuclear y la biomasa.

Las granjas fotovoltaicas industriales utilizan una gran cantidad de espacio debido a la densidad de potencia de superficie relativamente baja y, en ocasiones, se enfrentan a la oposición de los residentes locales, especialmente en países con alta densidad de población o cuando la instalación implica la eliminación de árboles o arbustos existentes. La construcción del Parque Solar Cleve Hill en Kent ( Reino Unido ), compuesto por 880.000 paneles de hasta 3,9 m de altura en 490 hectáreas de terreno, se enfrentó a la oposición no solo por "destruir el paisaje local" sino también por iones de litio a gran escala. instalación de batería que se percibió como propensa a una explosión. La granja solar dividió a Greenpeace (que se opuso) y Amigos de la Tierra (que lo apoyó). Se plantearon preocupaciones similares sobre la deforestación cuando se eliminaron grandes cantidades de árboles para la instalación de granjas solares en Nueva Jersey y otros.

Otros asuntos

Un tema que a menudo ha suscitado preocupación es el uso de cadmio (Cd), un metal pesado tóxico que tiende a acumularse en las cadenas alimentarias ecológicas . Se utiliza como componente semiconductor en células solares CdTe y como capa amortiguadora para determinadas células CIGS en forma de sulfuro de cadmio . La cantidad de cadmio que se utiliza en las células solares de película delgada es relativamente pequeña (5–10 g / m 2 ) y con técnicas adecuadas de reciclaje y control de emisiones, las emisiones de cadmio de la producción de módulos pueden ser casi nulas. Las tecnologías fotovoltaicas actuales producen emisiones de cadmio de 0,3 a 0,9 microgramos / kWh durante todo el ciclo de vida. La mayoría de estas emisiones surgen del uso de energía de carbón para la fabricación de los módulos, y la combustión de carbón y lignito genera emisiones de cadmio mucho más altas. Las emisiones de cadmio del ciclo de vida del carbón son 3,1 microgramos / kWh, el lignito 6,2 y el gas natural 0,2 microgramos / kWh.

En un análisis del ciclo de vida se ha observado que si se utilizara electricidad producida por paneles fotovoltaicos para fabricar los módulos en lugar de electricidad procedente de la quema de carbón, las emisiones de cadmio derivadas del uso de energía de carbón en el proceso de fabricación podrían eliminarse por completo.

En el caso de los módulos de silicio cristalino , el material de soldadura , que une los hilos de cobre de las celdas, contiene alrededor del 36 por ciento de plomo (Pb). Además, la pasta utilizada para la serigrafía de los contactos delanteros y traseros contiene rastros de Pb y, a veces, también de Cd. Se estima que se han utilizado alrededor de 1.000 toneladas métricas de Pb para 100 gigavatios de módulos solares de c-Si. Sin embargo, no hay una necesidad fundamental de plomo en la aleación de soldadura.

Algunos medios de comunicación han informado que las plantas de energía solar concentrada han herido o matado a un gran número de aves debido al intenso calor de los rayos solares concentrados. Este efecto adverso no se aplica a las plantas de energía solar fotovoltaica, y algunas de las afirmaciones pueden haber sido exageradas o exageradas.

Si bien se estima que la vida útil promedio de los paneles solares supera los 20 años, las altas temperaturas, la arena o el clima pueden acelerar significativamente el proceso de envejecimiento. Debido a las grandes necesidades de espacio de la energía solar, se estima que la cantidad de desechos tóxicos (por ejemplo, cadmio) que deben procesarse es 300 veces mayor por unidad de energía que la energía nuclear . El reciclaje es un desafío importante debido a los grandes volúmenes de residuos. En 2013, una granja solar Solyndra con sede en EE. UU. Dejó más de 5670 toneladas métricas de desechos peligrosos después de quebrar después de 4 años de operaciones.

La fabricación de paneles solares requiere elementos de tierras raras , que producen desechos radiactivos de baja actividad durante el proceso de minería.

El estudio de la Agencia Internacional de Energía proyecta que la demanda de recursos extraídos como litio , grafito , cobalto , cobre , níquel y tierras raras aumentará 4 veces para 2040 y señala un suministro insuficiente de estos materiales para satisfacer la demanda impuesta por los despliegues esperados a gran escala de tecnologías descentralizadas solares. y energía eólica, y las actualizaciones necesarias de la red. Según un estudio de 2018, un aumento significativo de la energía solar fotovoltaica requeriría un aumento del 3000% en el suministro de estos metales para 2060, la energía solar térmica - 6000%, lo que requiere un aumento significativo en las operaciones mineras.

Problemas politicos

La mayoría de los paneles fotovoltaicos se fabrican en China con silicio procedente de una región en particular de Xinjiang , lo que genera preocupaciones sobre las violaciones de derechos humanos ( campos de internamiento de Xinjang ), así como la dependencia de la cadena de suministro.

Tecnologías emergentes

Concentrador fotovoltaico

Módulos CPV en seguidores solares de doble eje en Golmud, China

Los sistemas de concentración fotovoltaica (CPV) emplean luz solar concentrada en superficies fotovoltaicas con el fin de producir energía eléctrica . A diferencia de los sistemas fotovoltaicos convencionales, utiliza lentes y espejos curvos para enfocar la luz solar en células solares de múltiples uniones pequeñas pero altamente eficientes . Se pueden usar concentradores solares de todas las variedades, y estos a menudo se montan en un seguidor solar para mantener el punto focal sobre la celda mientras el sol se mueve por el cielo. Los concentradores solares luminiscentes (cuando se combinan con una célula solar fotovoltaica) también pueden considerarse un sistema CPV. La energía fotovoltaica concentrada es útil ya que puede mejorar drásticamente la eficiencia de los paneles solares fotovoltaicos.

Además, la mayoría de los paneles solares de las naves espaciales también están hechos de células fotovoltaicas de unión múltiple de alta eficiencia para obtener electricidad de la luz solar cuando operan en el Sistema Solar interior .

Floatovoltaica

La energía floatovoltaica es una forma emergente de sistemas fotovoltaicos que flotan en la superficie de canales de riego, depósitos de agua, lagos de canteras y estanques de relaves. Existen varios sistemas en Francia, India, Japón, Corea, Reino Unido y Estados Unidos. Estos sistemas reducen la necesidad de una superficie terrestre valiosa, ahorran agua potable que de otro modo se perdería por evaporación y muestran una mayor eficiencia de conversión de energía solar , ya que los paneles se mantienen a una temperatura más fría que en la tierra. Aunque no es flotante, otras instalaciones de doble uso con energía solar incluyen la pesca .

Torre de corriente ascendente solar

La torre de corriente ascendente solar (SUT) es un concepto de diseño para una planta de energía renovable para generar electricidad a partir del calor solar de baja temperatura. La luz del sol calienta el aire debajo de una estructura colectora techada muy ancha similar a un invernadero que rodea la base central de una torre de chimenea muy alta . La convección resultante provoca una corriente ascendente de aire caliente en la torre por efecto chimenea . Este flujo de aire impulsa las turbinas de viento , colocadas en la corriente ascendente de la chimenea o alrededor de la base de la chimenea, para producir electricidad . A mediados de 2018, aunque se han construido varios modelos prototipo, no hay unidades prácticas a gran escala en funcionamiento. Se planean versiones ampliadas de modelos de demostración para generar energía significativa. También pueden permitir el desarrollo de otras aplicaciones, como la agricultura u horticultura, la extracción o destilación de agua o la mejora de la contaminación del aire urbano.

Células solares de perovskita

Células solares de perovskita 1.jpg

Una célula solar de perovskita (PSC) es un tipo de célula solar que incluye un compuesto con estructura de perovskita, más comúnmente un material híbrido orgánico-inorgánico a base de plomo o haluro de estaño, como capa activa captadora de luz. Los materiales de perovskita, como los haluros de plomo de metilamonio y los haluros de plomo de cesio totalmente inorgánicos, son baratos de producir y fáciles de fabricar. Las eficiencias de las células solares de los dispositivos a escala de laboratorio que utilizan estos materiales han aumentado del 3,8% en 2009 al 25,5% en 2020 en las arquitecturas de unión simple y, en las células en tándem basadas en silicio, al 29,15%, superando la eficiencia máxima lograda en Juntas de células solares de silicio. Por lo tanto, las células solares de perovskita han sido la tecnología solar de más rápido avance a partir de 2016. Con el potencial de lograr eficiencias aún mayores y costos de producción muy bajos, las células solares de perovskita se han vuelto comercialmente atractivas. Los problemas centrales y los temas de investigación incluyen su estabilidad a corto y largo plazo.

Ver también

Referencias

Fuentes

Otras lecturas

  • Sivaram, Varun (2018). Domar el sol: innovación para aprovechar la energía solar y alimentar el planeta . Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-03768-6.

enlaces externos