La energía solar , también conocida como electricidad solar , es la conversión de energía de la luz solar en electricidad , ya sea directamente mediante energía fotovoltaica (PV) o indirectamente mediante energía solar concentrada . Los paneles solares utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la luz en una corriente eléctrica . [2] Los sistemas de energía solar concentrada utilizan lentes o espejos y sistemas de seguimiento solar para enfocar una gran área de luz solar a un punto caliente, a menudo para impulsar una turbina de vapor .
La energía fotovoltaica (FV) se utilizó inicialmente únicamente como fuente de electricidad para aplicaciones de tamaño pequeño y mediano, desde la calculadora alimentada por una sola célula solar hasta hogares remotos alimentados por un sistema fotovoltaico en el tejado fuera de la red . Las plantas de energía solar concentrada comerciales se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Desde entonces, a medida que el costo de los paneles solares ha disminuido, la capacidad y la producción de los sistemas solares fotovoltaicos conectados a la red se han duplicado aproximadamente cada tres años . Tres cuartas partes de la nueva capacidad de generación es solar, [3] y se siguen construyendo millones de instalaciones en tejados y centrales eléctricas fotovoltaicas a escala de gigavatios .
En 2023, la energía solar generó el 5,5% (1.631 TWh) de la electricidad mundial y más del 1% de la energía primaria , añadiendo el doble de electricidad nueva que el carbón. [4] [5] Junto con la energía eólica terrestre , la energía solar a escala de servicios públicos es la fuente con el coste nivelado de electricidad más barato para nuevas instalaciones en la mayoría de los países. [6] [7] En 2023, 33 países generaron más de una décima parte de su electricidad a partir de energía solar, y China representó más de la mitad del crecimiento solar. [8] Casi la mitad de la energía solar instalada en 2022 se montó en tejados . [9]
Se necesita mucha más energía baja en carbono para la electrificación y para limitar el cambio climático . [3] La Agencia Internacional de Energía dijo en 2022 que se necesitaba un mayor esfuerzo para la integración de la red y la mitigación de los desafíos de política, regulación y financiación. [10] No obstante, la energía solar puede reducir en gran medida el costo de la energía. [5]
La geografía afecta el potencial de energía solar porque diferentes lugares reciben diferentes cantidades de radiación solar. En particular, con algunas variaciones, las áreas que están más cerca del ecuador generalmente reciben mayores cantidades de radiación solar. Sin embargo, los paneles solares que pueden seguir la posición del Sol pueden aumentar significativamente el potencial de energía solar en áreas que están más alejadas del ecuador. [11] La nubosidad diurna puede reducir la luz disponible para las células solares. La disponibilidad de tierra también tiene un gran efecto en la energía solar disponible.
Las plantas de energía solar utilizan una de dos tecnologías:
Una célula solar , o célula fotovoltaica, es un dispositivo que convierte la luz en corriente eléctrica utilizando el efecto fotovoltaico . La primera célula solar fue construida por Charles Fritts en la década de 1880. [13] El industrial alemán Ernst Werner von Siemens estuvo entre quienes reconocieron la importancia de este descubrimiento. [14] En 1931, el ingeniero alemán Bruno Lange desarrolló una fotocélula utilizando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre , [15] aunque las células prototipo de selenio convertían menos del 1% de la luz incidente en electricidad. Tras el trabajo de Russell Ohl en la década de 1940, los investigadores Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin crearon la célula solar de silicio en 1954. [16] Estas primeras células solares costaban 286 dólares estadounidenses por vatio y alcanzaban eficiencias del 4,5 al 6%. [17] En 1957, Mohamed M. Atalla desarrolló el proceso de pasivación de la superficie de silicio por oxidación térmica en Bell Labs . [18] [19] Desde entonces, el proceso de pasivación de la superficie ha sido fundamental para la eficiencia de las células solares . [20]
A partir de 2022, [update]más del 90% del mercado es de silicio cristalino . [21] El conjunto de un sistema fotovoltaico , o sistema PV, 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 corriente alterna (CA), mediante el uso de inversores . [12] Varias células solares se conectan dentro de los paneles. Los paneles se conectan entre sí para formar conjuntos, luego se conectan a un inversor, que produce energía al voltaje deseado y, para CA, a la frecuencia/fase deseada. [12]
Muchos sistemas fotovoltaicos residenciales se conectan a la red cuando está disponible, especialmente en países desarrollados con grandes mercados. [22] 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 durante la noche y en otros momentos de luz solar limitada.
En los sistemas de " agrovoltaica vertical ", las células solares se orientan verticalmente sobre las tierras agrícolas, para permitir que la tierra produzca cultivos y genere energía renovable. [23] Otras configuraciones incluyen granjas solares flotantes , la colocación de marquesinas solares sobre estacionamientos y la instalación de paneles solares en los techos. [23]
Una célula solar de película delgada es una célula solar de segunda generación que se fabrica depositando una o más capas delgadas, o película delgada (TF) de material fotovoltaico sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal. Las células solares de película delgada se utilizan comercialmente en varias tecnologías, incluidas las de telururo de cadmio (CdTe), diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y silicio amorfo de película delgada (a-Si, TF-Si). [24]
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 basado en haluro de plomo o estaño como capa activa de captación de luz. [25] [26] Los materiales de perovskita, como los haluros de plomo y metilamonio y el haluro de plomo y cesio totalmente inorgánico, son baratos de producir y sencillos 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 [27] al 25,7 % en 2021 en arquitecturas de unión única [28] [29] y, en células tándem basadas en silicio, al 29,8 %, [28] [30], superando la eficiencia máxima lograda en células solares de silicio de unión única. Por lo tanto, las células solares de perovskita han sido la tecnología solar de más rápido avance a partir de 2016 [25][update] . 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 [31] .
La energía solar concentrada (CSP), también llamada "energía solar térmica concentrada", utiliza lentes o espejos y sistemas de seguimiento para concentrar la luz solar y luego utiliza el calor resultante para generar electricidad a partir de turbinas convencionales impulsadas por vapor. [32]
Existe una amplia gama de tecnologías de concentración: entre las más conocidas se encuentran el canal parabólico , el reflector lineal compacto de Fresnel , el disco Stirling y la torre de energía solar . Se utilizan varias técnicas para rastrear el sol y enfocar la luz. En todos estos sistemas, un fluido de trabajo se calienta con la luz solar concentrada y luego se utiliza para la generación de energía o el almacenamiento de energía. [33] El almacenamiento térmico permite de manera eficiente la generación de electricidad durante la noche, [34] complementando así a la fotovoltaica. [35] La CSP genera una parte muy pequeña de la energía solar y en 2022 la AIE dijo que la CSP debería recibir una mejor remuneración por su almacenamiento. [36]
A partir de 2021, [update]el costo nivelado de la electricidad generada con CSP es más del doble que el de la energía fotovoltaica. [37] Sin embargo, sus altísimas temperaturas pueden resultar útiles para ayudar a descarbonizar industrias (quizás a través del hidrógeno) que necesitan temperaturas más altas que las que puede proporcionar la electricidad. [38]
Un sistema híbrido combina la energía solar con el almacenamiento de energía y/o una o más formas de generación. La energía hidroeléctrica [39] [40], la energía eólica [41] [42] y las baterías [43] se combinan comúnmente con la energía solar. La generación combinada puede permitir que el sistema varíe la producción de energía según la demanda, o al menos suavizar la fluctuación de la energía solar. [44] [45] Hay mucha energía hidroeléctrica en todo el mundo, y agregar paneles solares en los embalses hidroeléctricos existentes o alrededor de ellos es particularmente útil, porque la energía hidroeléctrica suele ser más flexible que la eólica y más barata a escala que las baterías, [46] y, a veces, se pueden utilizar las líneas eléctricas existentes. [47] [48]
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 . [53] Charles Fritts instaló el primer panel solar fotovoltaico en el techo del mundo, utilizando células de selenio con una eficiencia del 1% , en un techo de la ciudad de Nueva York en 1884. [54] 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 . [55] La investigación de los Bell Telephone Laboratories de la década de 1950 utilizó obleas de silicio con una fina capa de boro. La "Batería Solar Bell" se describió como un 6% eficiente, con un metro cuadrado de paneles que generaban 50 vatios. [56] El primer satélite con paneles solares se lanzó en 1957. [ 57]
En la década de 1970, los paneles solares todavía eran demasiado caros para mucho más que los satélites . [58] En 1974 se estimó que solo seis hogares privados en toda América del Norte estaban totalmente calentados o refrigerados por sistemas de energía solar funcionales. [59] Sin embargo, 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. [60] [61]
Las estrategias de implementación se centraron en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización 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 ). [62] Entre 1970 y 1983, las instalaciones de sistemas fotovoltaicos crecieron rápidamente. En los Estados Unidos, el presidente Jimmy Carter estableció el objetivo de producir el 20% de la energía estadounidense a partir de energía solar para el año 2000, pero su sucesor, Ronald Reagan , eliminó la financiación para la investigación en energías renovables. [58] 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.
A mediados de la década de 1990, el desarrollo de centrales solares en azoteas residenciales y comerciales, así como de centrales fotovoltaicas a gran escala , comenzó a acelerarse nuevamente debido a problemas de suministro de petróleo y gas natural, preocupaciones por el calentamiento global y la mejora de la posición económica de la energía fotovoltaica en relación con otras tecnologías energéticas. [58] [63] 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 creciente de implementaciones de energía fotovoltaica en Europa.
Durante varios años, el crecimiento mundial de la energía solar fotovoltaica fue impulsado por la implementación en Europa , pero luego se trasladó a Asia, especialmente a China y Japón , y a un número creciente de países y regiones en todo el mundo. Los mayores fabricantes de equipos solares tenían su sede en China. [64] [65] Aunque la capacidad de energía solar concentrada creció más de diez veces, siguió siendo una proporción minúscula del total, [66] : 51 porque el costo de la energía solar fotovoltaica a escala de servicios públicos cayó un 85% entre 2010 y 2020, mientras que los costos de la CSP solo cayeron un 68% en el mismo período. [67]
A pesar del aumento del coste de los materiales, como el polisilicio , durante la crisis energética mundial de 2021-2022 , [68] la energía solar a gran escala siguió siendo la fuente de energía menos costosa en muchos países debido al aumento de los costes de otras fuentes de energía, como el gas natural. [69] En 2022, la capacidad mundial de generación solar superó 1 TW por primera vez. [70] Sin embargo, los subsidios a los combustibles fósiles han ralentizado el crecimiento de la capacidad de generación solar. [71]
Aproximadamente la mitad de la capacidad instalada es de escala de servicios públicos. [72]
Se prevé que la mayor parte de la nueva capacidad renovable entre 2022 y 2027 sea solar, superando al carbón como la mayor fuente de capacidad energética instalada. [73] : 26 Se prevé que la escala de servicios públicos se convierta en la mayor fuente de electricidad en todas las regiones, excepto el África subsahariana, para 2050. [72]
Según un estudio de 2021, el potencial de generación de electricidad global de los paneles solares en los tejados se estima en 27 PWh al año a un coste que oscila entre 40 dólares (Asia) y 240 dólares por MWh (EE. UU., Europa). Sin embargo, su realización práctica dependerá de la disponibilidad y el coste de soluciones escalables de almacenamiento de electricidad. [74]
Una central eléctrica fotovoltaica , también conocida como parque solar, granja solar o planta de energía solar, es un sistema de energía fotovoltaica (sistema FV) conectado a la red a gran escala diseñado para el suministro de energía comercial . Se diferencian de la mayoría de las energías solares instaladas en edificios y otras energías solares descentralizadas porque suministran energía a nivel de la empresa de servicios públicos , en lugar de a un usuario o usuarios locales. A veces se utiliza el término energía solar a escala de servicios públicos para describir este tipo de proyecto.
Este enfoque difiere de la energía solar concentrada , la otra gran tecnología de generación solar a gran escala, que utiliza calor para impulsar una variedad de sistemas generadores convencionales. Ambos enfoques tienen sus propias ventajas y desventajas, pero hasta la fecha, por diversas razones, la tecnología fotovoltaica ha tenido un uso mucho más amplio. En 2019 [update], aproximadamente el 97% de la capacidad de energía solar a escala de servicios públicos era fotovoltaica. [75] [76]
En algunos países, la capacidad nominal de las centrales fotovoltaicas se mide en megavatios pico (MW p ), que se refiere a la potencia de salida máxima teórica de CC del conjunto solar . En otros países, el fabricante indica la superficie y la eficiencia. Sin embargo, Canadá, Japón, España y Estados Unidos suelen especificar el uso de la potencia de salida nominal inferior convertida en MW CA , una medida más directamente comparable a otras formas de generación de energía. La mayoría de los parques solares se desarrollan a una escala de al menos 1 MW p . A partir de 2018, las centrales fotovoltaicas operativas más grandes del mundo superaron 1 gigavatio . A fines de 2019, alrededor de 9000 granjas solares eran mayores de 4 MW CA (escala de servicios públicos), con una capacidad combinada de más de 220 GW CA . [75]
La mayoría de las centrales fotovoltaicas a gran escala existentes son propiedad de productores de energía independientes y están operadas por ellos, pero la participación de proyectos propiedad de la comunidad y de las empresas de servicios públicos está aumentando. [77] Anteriormente, casi todos estaban respaldados al menos en parte por incentivos regulatorios como tarifas de alimentación o créditos fiscales , pero como los costos nivelados cayeron significativamente en la década de 2010 y se ha alcanzado la paridad de red en la mayoría de los mercados, los incentivos externos generalmente no son necesarios.
Las plantas de energía solar de concentración (CSP) comerciales, también llamadas "centrales solares térmicas", 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 de CSP incluyen 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 despacho de electricidad durante un período de hasta 24 horas. Dado que la demanda máxima de electricidad generalmente ocurre alrededor de las 5 p. m., muchas plantas de energía CSP utilizan de 3 a 5 horas de almacenamiento térmico. [78]
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 requerirse, 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 entre 25 y 40 años. [79] Por lo tanto, los costos iniciales de capital y financiamiento representan entre el 80% y el 90% del costo de la energía solar, [73] : 165 lo que es un problema para los países donde los contratos pueden no cumplirse, como algunos países africanos. [5] Algunos países están considerando límites de precios , [80] mientras que otros prefieren contratos por diferencia . [81]
En muchos países, la energía solar es la fuente de electricidad con menor costo. [82] En Arabia Saudita, en abril de 2021 se firmó un acuerdo de compra de energía (PPA) para una nueva planta de energía solar en Al-Faisaliah. El proyecto ha registrado el costo más bajo del mundo para la producción de electricidad solar fotovoltaica, de USD 1,04 centavos por kWh. [83]
Los costos de los módulos solares de banda de alta potencia han disminuido considerablemente con el tiempo. A partir de 1982, el costo por kW era de aproximadamente 27.000 dólares estadounidenses, y en 2006 el costo se redujo a aproximadamente 4.000 dólares estadounidenses por kW. El sistema fotovoltaico en 1992 costaba aproximadamente 16.000 dólares estadounidenses por kW y se redujo a aproximadamente 6.000 dólares estadounidenses por kW en 2008. [84] En 2021 en los EE. UU., el costo de la energía solar residencial era de 2 a 4 dólares por vatio (pero las tejas solares cuestan mucho más) [85] y los costos de la energía solar para servicios públicos eran de alrededor de $ 1 por vatio. [86]
La productividad de la energía solar en una región depende de la irradiación solar , que varía a lo largo del día y del año y está influenciada por la latitud y el clima . La potencia de salida del sistema fotovoltaico también depende de la temperatura ambiente, la velocidad del viento, el espectro solar, las condiciones locales de suciedad y otros factores.
La energía eólica terrestre tiende a ser la fuente más barata de electricidad en el norte de Eurasia, Canadá, algunas partes de los Estados Unidos y la Patagonia argentina, mientras que en otras partes del mundo se piensa que la energía solar (o con menor frecuencia una combinación de energía eólica, solar y otras energías bajas en carbono) es la mejor. [87] : 8 Los modelos de la Universidad de Exeter sugieren que para 2030, la energía solar será la menos costosa en todos los países, excepto en algunos del noreste de Europa. [88]
Los lugares con mayor irradiación solar anual se encuentran en las zonas tropicales y subtropicales áridas. Los desiertos que se encuentran en latitudes bajas suelen tener pocas nubes y pueden recibir luz solar durante más de diez horas al día. [89] [90] Estos desiertos cálidos forman el Cinturón Solar Global que rodea el mundo. Este cinturón consta de extensas franjas de tierra en el norte de África , el sur de África , el suroeste de Asia , Oriente Medio y Australia , así como los desiertos mucho más pequeños de América del Norte y del Sur . [91]
Por lo tanto, la energía solar es (o se prevé que se convierta en) la fuente de energía más barata en toda América Central, África, Oriente Medio, India, el sudeste asiático, Australia y varias otras regiones. [87] : 8
A continuación se muestran diferentes medidas de irradiancia solar (irradiancia normal directa, irradiancia horizontal global):
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 de la red. [92] Sin embargo, en muchos casos, los patrones de generación y consumo no coinciden, y parte o toda la energía se devuelve a la red. La electricidad se vende y, en otros momentos, cuando se toma energía de la red, se compra electricidad. Los costos y precios relativos obtenidos afectan la economía. En muchos mercados, el precio que se paga por la electricidad fotovoltaica vendida es significativamente menor que el precio de la electricidad comprada, lo que incentiva el autoconsumo. [93] Además, se han utilizado incentivos separados para el autoconsumo en, por ejemplo, Alemania e Italia. [93] La regulación de la interacción con la red también ha incluido limitaciones de la alimentación a la red en algunas regiones de Alemania con grandes cantidades de capacidad fotovoltaica instalada. [93] [94] Al aumentar el autoconsumo, la alimentación a la red se puede limitar sin recortes , lo que desperdicia electricidad. [95]
Una buena adecuación entre generación y consumo es clave para un alto nivel de autoconsumo. Esta adecuación se puede mejorar con baterías o con un consumo eléctrico controlable. [95] Sin embargo, las baterías son caras y la rentabilidad puede requerir la prestación de otros servicios a partir de ellas además del aumento del autoconsumo, [96] por ejemplo, evitar cortes de energía . [97] 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. [95] Las cargas desplazables, como lavavajillas, secadoras y lavadoras, pueden proporcionar un consumo controlable con un efecto limitado sobre los usuarios, pero su efecto sobre el autoconsumo de energía solar puede ser limitado. [95]
El propósito político original de las políticas de incentivos para la energía fotovoltaica era facilitar un despliegue inicial a pequeña escala para comenzar a hacer crecer la industria, incluso cuando el costo de la energía fotovoltaica era significativamente superior a la paridad de red, para permitir que la industria lograra las economías de escala necesarias para alcanzar la paridad de red. Desde que se alcanzó la paridad de red, se han implementado algunas políticas para promover la independencia energética nacional, [98] la creación de empleos de alta tecnología [99] y la reducción de las emisiones de CO 2. [98]
Los incentivos financieros para la energía fotovoltaica difieren entre países, incluidos Australia , [100] China , [101] Alemania , [102] India , [103] Japón y los Estados Unidos , e incluso entre estados dentro de los EE. UU.
En la medición neta, el precio de la electricidad producida es el mismo que el precio suministrado 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 permite a los propietarios de viviendas y empresas generar electricidad en un momento diferente al del consumo, utilizando efectivamente la red como una 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 la transferencia perpetua de los créditos de kWh. [104] Los créditos excedentes al finalizar el servicio se pierden o se pagan a una tasa que varía desde la tarifa mayorista hasta la minorista o superior, al igual que los créditos anuales excedentes. [105]
Un proyecto solar comunitario es una instalación de energía solar que acepta capital y ofrece créditos de producción y beneficios fiscales a múltiples clientes, incluidos individuos, empresas, organizaciones sin fines de lucro y otros inversores. Los participantes suelen invertir o suscribirse a una determinada capacidad de kW o generación de kWh de producción eléctrica remota. [107]
En algunos países se imponen aranceles (impuestos de importación) a los paneles solares importados. [108] [109]
La inmensa mayoría de la electricidad producida en todo el mundo se utiliza inmediatamente porque los generadores tradicionales pueden adaptarse a la demanda y el almacenamiento suele ser más caro. Tanto la energía solar como la eólica son fuentes de energía renovable variable , lo que significa que toda la producción disponible debe utilizarse localmente, transportarse por líneas de transmisión para usarse en otro lugar o almacenarse (por ejemplo, en una batería). Dado que la energía solar no está disponible durante la noche, almacenarla para tener una disponibilidad continua de electricidad es potencialmente una cuestión importante, en particular en aplicaciones fuera de la red y para futuros escenarios de energía 100% renovable . [113]
La energía solar es intermitente debido a los ciclos día/noche y a las condiciones climáticas variables. Sin embargo, la energía solar se puede pronosticar en cierta medida según la hora del día, la ubicación y las estaciones. El desafío de integrar la energía solar en cualquier empresa eléctrica varía significativamente. En lugares con veranos calurosos e inviernos suaves, la energía solar tiende a adaptarse bien a las demandas de refrigeración durante el día. [114]
Las plantas de energía solar concentrada pueden utilizar el almacenamiento térmico para almacenar energía solar, por ejemplo en sales fundidas a alta temperatura. Estas sales son un medio de almacenamiento eficaz porque son de bajo costo, tienen una capacidad calorífica específica alta y pueden suministrar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. Este método de almacenamiento de energía es utilizado, por ejemplo, por la central eléctrica Solar Two , que le permite almacenar 1,44 TJ en su tanque de almacenamiento de 68 m 3 , suficiente para proporcionar una producción total durante cerca de 39 horas, con una eficiencia de alrededor del 99%. [115]
En los sistemas fotovoltaicos autónomos , tradicionalmente se utilizan baterías para almacenar el exceso de electricidad. Con los sistemas de energía fotovoltaica conectados a la red , el exceso de electricidad se puede enviar a la red eléctrica . Los programas de medición neta y 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. [116] Cuando la energía eólica y solar son una pequeña fracción de la energía de la red, otras técnicas de generación pueden ajustar su producción adecuadamente, pero a medida que estas formas de energía variable crecen, se necesita un equilibrio adicional en la red. Como los precios están bajando rápidamente, los sistemas fotovoltaicos utilizan cada vez más baterías recargables para almacenar un excedente que se utilizará más tarde en la noche. Las baterías utilizadas para el almacenamiento en la red pueden estabilizar la red eléctrica al nivelar las cargas pico durante unas pocas horas. 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 la red con su energía almacenada cuando la demanda es mayor que la generación.
Las tecnologías de baterías comunes utilizadas en los sistemas fotovoltaicos domésticos actuales incluyen níquel-cadmio , plomo-ácido , níquel-hidruro metálico y litio-ion . [117] [118] [ se necesita una mejor fuente ] 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 intensivamente y se esperan precios más bajos debido a las economías de escala proporcionadas por grandes instalaciones de producción como la Gigafábrica de Tesla 1. Además, las baterías de iones de litio de los autos 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 auto hasta las líneas eléctricas y viceversa.
Las baterías de vehículos eléctricos (VE) retiradas de servicio se pueden reutilizar. [119] Otras baterías recargables utilizadas para sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen baterías redox de sodio-azufre y de vanadio , dos tipos destacados de baterías de sal fundida y de flujo , respectivamente. [120] [121] [122]
Las plantas de energía solar, si bien se pueden reducir, generalmente simplemente producen la mayor cantidad de energía posible. Por lo tanto, en un sistema eléctrico sin suficiente almacenamiento de energía en la red , la generación a partir de otras fuentes (carbón, biomasa, gas natural, energía nuclear, hidroelectricidad ) generalmente aumenta y disminuye en reacción al aumento y la caída de la electricidad solar y las variaciones en la demanda (ver carga después de la planta de energía ).
Las represas hidroeléctricas convencionales funcionan muy bien en combinación con la energía solar; el agua puede retenerse o liberarse de un embalse según sea necesario. Cuando no se dispone de una geografía adecuada, la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo puede utilizar la energía solar para bombear agua a un embalse alto en días soleados, y luego la energía se recupera por la noche y en caso de mal tiempo liberando agua a través de una planta hidroeléctrica a un embalse bajo donde el ciclo puede comenzar de nuevo. [124]
Mientras que las plantas hidroeléctricas y de gas natural pueden responder rápidamente a los cambios en la carga, las plantas de carbón, biomasa y nucleares suelen tardar un tiempo considerable en 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 de red, almacenamiento de energía o gestión del lado de la demanda . En países con alta generación solar, como Australia, los precios de la electricidad pueden volverse negativos al mediodía cuando la generación solar es alta, lo que incentiva el nuevo almacenamiento en baterías . [125] [126]
La combinación de energía eólica y solar fotovoltaica tiene la ventaja de que las dos fuentes se complementan entre sí porque los momentos pico de funcionamiento de cada sistema ocurren en diferentes momentos del día y del año. [127] Por lo tanto, la generación de energía de estos sistemas híbridos de energía solar es más constante y fluctúa menos que cada uno de los dos subsistemas componentes. [128] La energía solar es estacional, en particular en climas del norte y del sur, lejos del ecuador, lo que sugiere la necesidad de un almacenamiento estacional a largo plazo en un medio como el hidrógeno o la energía hidroeléctrica bombeada. [129]
La energía solar es más limpia que la electricidad procedente de combustibles fósiles , [21] por lo que puede ser mejor para el medio ambiente. [130] La energía solar no produce emisiones nocivas durante su funcionamiento, pero la producción de los paneles genera cierta contaminación. La huella de carbono de la fabricación es inferior a 1 kg de CO2 / Wp, [131] y se espera que disminuya a medida que los fabricantes utilicen más electricidad limpia y materiales reciclados. [132] La energía solar conlleva un coste inicial para el medio ambiente a través de la producción con un tiempo de recuperación de carbono de varios años a partir de 2022 [update], [132] pero ofrece energía limpia durante el resto de su vida útil de 30 años. [133]
Las emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida de los parques solares son inferiores a 50 gramos (g) por kilovatio-hora (kWh), [134] [135] [136] pero con el almacenamiento en baterías podrían llegar a 150 g/kWh. [137] En cambio, una central eléctrica de ciclo combinado a gas sin captura y almacenamiento de carbono emite alrededor de 500 g/kWh, y una central eléctrica a carbón alrededor de 1000 g/kWh. [138] De manera similar a todas las fuentes de energía donde las emisiones totales de su ciclo de vida provienen principalmente de la construcción, el cambio a energía baja en carbono en la fabricación y el transporte de dispositivos solares reduciría aún más las emisiones de carbono. [136]
La densidad de potencia superficial del ciclo de vida de la energía solar varía [139], pero el promedio es de unos 7 W/m2, en comparación con los 240 de la energía nuclear y los 480 del gas. [140] Sin embargo, cuando se tiene en cuenta la tierra necesaria para la extracción y el procesamiento del gas, se estima que la energía del gas no tiene una densidad de potencia mucho mayor que la solar. [21] La energía fotovoltaica requiere cantidades mucho mayores de superficie terrestre para producir la misma cantidad nominal de energía que las fuentes [ ¿cuáles? ] con mayor densidad de potencia superficial y factor de capacidad. Según un estudio de 2021, obtener entre el 25% y el 80% de la electricidad de los parques solares en su propio territorio para 2050 requeriría que los paneles cubrieran tierras que van del 0,5% al 2,8% de la Unión Europea , del 0,3% al 1,4% en la India y del 1,2% al 5,2% en Japón y Corea del Sur . [141] La ocupación de áreas tan grandes para parques fotovoltaicos podría generar oposición residencial, así como conducir a la deforestación, la eliminación de la vegetación y la conversión de tierras agrícolas. [142] Sin embargo, algunos países, como Corea del Sur y Japón, utilizan la tierra para la agricultura bajo energía fotovoltaica , [143] [144] o solar flotante, [145] junto con otras fuentes de energía bajas en carbono . [146] [147] El uso de la tierra en todo el mundo tiene un impacto ecológico mínimo. [148] El uso de la tierra se puede reducir al nivel de la energía a gas instalándola en edificios y otras áreas edificadas. [139]
En la producción de paneles solares se utilizan materiales nocivos, pero generalmente en pequeñas cantidades. [149] A partir de 2022 [update], el impacto ambiental de la perovskita es difícil de estimar, pero existe cierta preocupación de que el plomo pueda ser un problema. [21]
Un estudio de la Agencia Internacional de Energía de 2021 proyecta que la demanda de cobre se duplicará para 2040. El estudio advierte que la oferta debe aumentar rápidamente para satisfacer la demanda derivada de la implementación a gran escala de energía solar y las actualizaciones necesarias de la red. [150] [151] También puede ser necesario más telurio e indio . [21]
El reciclaje puede ayudar. [21] Como los paneles solares a veces se reemplazan con paneles más eficientes, los paneles de segunda mano a veces se reutilizan en países en desarrollo, por ejemplo en África . [152] Varios países tienen regulaciones específicas para el reciclaje de paneles solares . [153] [154] [155] Aunque el costo de mantenimiento ya es bajo en comparación con otras fuentes de energía, [156] algunos académicos han pedido que los sistemas de energía solar se diseñen para que sean más reparables . [157] [158]
Los paneles solares pueden aumentar la temperatura local. En instalaciones de gran tamaño en el desierto, el efecto puede ser más fuerte que el de la isla de calor urbana. [159]
Una proporción muy pequeña de la energía solar es energía solar concentrada . La energía solar concentrada puede utilizar mucha más agua que la energía a gas. Esto puede ser un problema, ya que este tipo de energía solar necesita una fuerte luz solar, por lo que a menudo se construye en desiertos. [160]
La generación solar no puede ser interrumpida por razones geopolíticas una vez instalada, a diferencia del petróleo y el gas, que contribuyen a la seguridad energética . [162]
A partir de 2022, [update]más del 40% de la capacidad mundial de fabricación de polisilicio se encuentra en Xinjiang , en China , [163] lo que genera preocupación por las violaciones de los derechos humanos ( campos de internamiento de Xinjiang ). [164]
Según la Sociedad Internacional de Energía Solar, el dominio chino del sector manufacturero no es un problema, tanto porque estiman que la fabricación de energía solar no puede crecer a más de 400 mil millones de dólares por año, como porque si se cortara el suministro chino, otros países tendrían años para crear su propia industria. [165]
La aparente contradicción que puede surgir del hecho de que las grandes plantas fotovoltaicas ocupen más terreno que las relativamente compactas plantas de carbón o gas se debe a la inclusión en el cálculo de los impactos en la ocupación del terreno derivados de la minería del carbón y la extracción de petróleo o gas; si se incluyen, el impacto en la ocupación del terreno es mayor en el caso de los combustibles fósiles.
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