La energía solar , también conocida como electricidad solar , es la conversión de la energía de la luz solar en electricidad , ya sea directamente mediante energía fotovoltaica (PV) o indirectamente utilizando energía solar concentrada . Los paneles solares utilizan el efecto fotovoltaico para convertir la luz en 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 en un punto caliente, a menudo para impulsar una turbina de vapor .
Inicialmente, la energía fotovoltaica se utilizaba únicamente como fuente de electricidad para aplicaciones pequeñas y medianas, desde calculadoras alimentadas por una sola célula solar hasta hogares remotos alimentados por un sistema fotovoltaico en el tejado fuera de la red . Las plantas comerciales de energía solar concentrada 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 fotovoltaicas a escala de gigavatios.
En 2023, la energía solar generó el 5% de la electricidad mundial, [4] frente al 1% en 2015, cuando se firmó el Acuerdo de París para limitar el cambio climático . [5] Junto con la energía eólica terrestre , en la mayoría de los países, el costo nivelado de electricidad más barato para nuevas instalaciones es la energía solar a escala comercial . [6] [7]
Casi la mitad de la energía solar instalada en 2022 se produjo en tejados . [8] 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 necesitaban más esfuerzos para la integración de la red y la mitigación de los desafíos políticos, regulatorios y financieros. [9]
La geografía afecta el potencial de energía solar porque diferentes lugares reciben diferentes cantidades de radiación solar. En particular, con algunas variaciones, las áreas más cercanas al 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 más alejadas del ecuador. [10] La nubosidad diurna puede reducir la luz disponible para las células solares. Además, la disponibilidad de suelo tiene un gran efecto sobre 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 mediante el efecto fotovoltaico . La primera célula solar fue construida por Charles Fritts en la década de 1880. [12] El industrial alemán Ernst Werner von Siemens fue uno de los que reconoció la importancia de este descubrimiento. [13] En 1931, el ingeniero alemán Bruno Lange desarrolló una fotocélula utilizando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre , [14] aunque el prototipo de células de selenio convertía 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 célula solar de silicio en 1954. [15] Estas primeras células solares costaban 286 dólares por vatio y alcanzaban eficiencias del 4,5 al 6%. [16] En 1957, Mohamed M. Atalla desarrolló el proceso de pasivación de superficies de silicio mediante oxidación térmica en los Laboratorios Bell . [17] [18] Desde entonces, el proceso de pasivación de la superficie ha sido fundamental para la eficiencia de las células solares . [19]
A partir de 2022, [update]más del 90% del mercado es silicio cristalino . [20] La matriz de un sistema fotovoltaico , o sistema fotovoltaico, produce energía de corriente continua (CC) que fluctúa con la intensidad de la luz solar. Para un uso práctico esto suele requerir la conversión a corriente alterna (CA), mediante el uso de inversores . [11] Varias células solares están conectadas dentro de los paneles. Los paneles se conectan entre sí para formar matrices y luego se conectan a un inversor, que produce energía al voltaje deseado y, para CA, a la frecuencia/fase deseada. [11]
Muchos sistemas fotovoltaicos residenciales están conectados a la red siempre que esté disponible, especialmente en países desarrollados con grandes mercados. [21] En estos sistemas fotovoltaicos conectados a la red , el uso del almacenamiento de energía es opcional. En determinadas aplicaciones, como satélites, faros o en países en desarrollo, a menudo se añaden baterías o generadores de energía adicionales como respaldo. Estos sistemas de energía autónomos permiten el funcionamiento durante la noche y en otros momentos en los que la luz solar es limitada.
En el sistema de " agrivoltaica vertical ", las células solares se orientan verticalmente en las tierras de cultivo, para permitir que en ellas se produzcan cultivos y se genere energía renovable. [22] Otras configuraciones incluyen granjas solares flotantes , colocación de marquesinas solares sobre estacionamientos e instalación de paneles solares en los techos. [22]
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, por sus siglas en inglés) de material fotovoltaico sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal. Las células solares de película delgada se utilizan comercialmente en varias tecnologías, incluido el telururo de cadmio (CdTe), el diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el silicio amorfo de película delgada (a-Si, TF-Si). [23]
Una célula solar de perovskita (PSC) es un tipo de célula solar que incluye un compuesto estructurado de perovskita , más comúnmente un material híbrido orgánico-inorgánico a base de plomo o haluro de estaño como capa activa que capta la luz. [24] [25] 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 sencillos de fabricar.
La eficiencia de las células solares de los dispositivos a escala de laboratorio que utilizan estos materiales ha aumentado del 3,8 % en 2009 [26] al 25,7 % en 2021 en arquitecturas de unión única [27] [28] y, en células en tándem basadas en silicio, al 29,8 %, [27] [29] superando la eficiencia máxima alcanzada en células solares de silicio de unión simple. Por lo tanto, las células solares de perovskita son desde 2016 la tecnología solar que avanza más rápidamente [update]. [24] 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. [30]
La energía solar concentrada (CSP), también llamada "térmica solar 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. [31]
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 generar o almacenar energía. [32] El almacenamiento térmico permite de manera eficiente la generación de electricidad durante la noche, [33] complementando así la energía fotovoltaica. [34] La CSP genera una proporción muy pequeña de la energía solar y en 2022 la AIE dijo que la CSP debería recibir una mejor remuneración por su almacenamiento. [35]
A partir de 2021, [update]el coste nivelado de la electricidad procedente de la CSP es más del doble que el de la fotovoltaica. [36] Sin embargo, sus altísimas temperaturas pueden resultar útiles para ayudar a descarbonizar las industrias (quizás a través del hidrógeno) que necesitan estar más calientes de lo que la electricidad puede proporcionar. [37]
Un sistema híbrido combina energía solar con almacenamiento de energía y/o una o más formas de generación. La energía hidráulica, [38] [39] la eólica [40] [41] y las baterías [42] 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. [43] [44] Hay mucha energía hidroeléctrica en todo el mundo, y agregar paneles solares en o alrededor de los embalses hidroeléctricos existentes es particularmente útil, porque la energía hidroeléctrica suele ser más flexible que la eólica y más barata a escala que las baterías, [45] y las líneas eléctricas existentes. a veces se puede utilizar. [46] [47]
El desarrollo inicial 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 . [51] Charles Fritts instaló el primer panel solar fotovoltaico en tejados del mundo, utilizando células de selenio con una eficiencia del 1% , en un tejado de la ciudad de Nueva York en 1884. [52] Sin embargo, el desarrollo de tecnologías solares se estancó a principios del siglo XX ante la la creciente disponibilidad, economía y utilidad del carbón y el petróleo . [53] La investigación de los años 50 de los Laboratorios Bell Telephone utilizó obleas de silicio con una capa muy fina de boro. La “batería solar Bell” se describió como una eficiencia del 6%, con un metro cuadrado de paneles generando 50 vatios. [54] El primer satélite con paneles solares fue lanzado en 1957 . [55]
En la década de 1970, los paneles solares todavía eran demasiado caros para muchas otras cosas además de los satélites . [56] En 1974 se estimó que sólo seis hogares privados en toda América del Norte estaban completamente calentados o refrigerados por sistemas de energía solar funcionales. [57] 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 atención renovada al desarrollo de tecnologías solares. [58] [59]
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 ). [60] Entre 1970 y 1983 las instalaciones de sistemas fotovoltaicos crecieron rápidamente. En Estados Unidos, el presidente Jimmy Carter fijó 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 de energías renovables. [56] La caída de los precios del petróleo a principios de los años 1980 moderó el crecimiento de la energía fotovoltaica de 1984 a 1996.
A mediados de la década de 1990, el desarrollo de centrales solares residenciales y comerciales en tejados , así como de centrales fotovoltaicas a gran escala , comenzó a acelerarse nuevamente debido a problemas de suministro de 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. [56] [61] A principios de la década de 2000, la adopción de tarifas de alimentación , un mecanismo de política que otorga 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 fotovoltaicas en Europa.
Durante varios años, el crecimiento mundial de la energía solar fotovoltaica fue impulsado por el despliegue europeo , pero luego se desplazó a Asia, especialmente a China y Japón , y a un número creciente de países y regiones de todo el mundo. Los mayores fabricantes de equipos solares tenían su sede en China. [62] [63] Aunque la capacidad de energía solar concentrada se multiplicó por más de diez, siguió siendo una pequeña proporción del total, [64] : 51 porque el costo de la energía solar fotovoltaica a escala de servicios públicos cayó un 85% entre 2010 y 2020, mientras que la CSP Los costos solo cayeron un 68% en el mismo período. [sesenta y cinco]
A pesar del aumento del costo de los materiales, como el polisilicio , durante la crisis energética mundial de 2021-2022 , [66] la energía solar a gran escala seguía siendo la fuente de energía más barata en muchos países debido al aumento de los costos de otras fuentes de energía, como el gas natural. [67] En 2022, la capacidad mundial de generación solar superó 1 TW por primera vez. [68] Sin embargo, los subsidios a los combustibles fósiles han frenado el crecimiento de la capacidad de generación solar. [69]
Aproximadamente la mitad de la capacidad instalada es de escala de servicios públicos. [70]
Se prevé que la mayor parte de la nueva capacidad renovable entre 2022 y 2027 será solar, superando al carbón como la mayor fuente de capacidad de energía instalada. [71] : 26 Se prevé que la escala de servicios públicos se convierta en la mayor fuente de electricidad en todas las regiones excepto en el África subsahariana para 2050. [70]
Según un estudio de 2021, el potencial mundial de generación de electricidad a partir de paneles solares en tejados se estima en 27 PWh por año a costos que oscilan 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. [72]
Una central fotovoltaica , también conocida como parque solar, granja solar o planta de energía solar, es un sistema de energía fotovoltaica (sistema fotovoltaico) conectado a la red a gran escala diseñado para el suministro de energía comercial . Se diferencian de la mayoría de la energía solar montada en edificios y de otras fuentes de energía solar descentralizada porque suministran energía a nivel de servicios públicos , en lugar de a un usuario o usuarios locales. A veces se utiliza energía solar a escala de servicios públicos para describir este tipo de proyecto.
Este enfoque difiere de la energía solar concentrada , la otra importante 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 comercial era fotovoltaica. [73] [74]
En algunos países, la capacidad nominal de las centrales fotovoltaicas está clasificada en megavatios pico (MW p ), que se refiere a la potencia de salida máxima teórica de CC del panel solar. En otros países, el fabricante indica la superficie y la eficiencia. Sin embargo, Canadá, Japón, España y Estados Unidos a menudo especifican el uso de la potencia nominal más baja 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 . En 2018, las centrales fotovoltaicas en funcionamiento más grandes del mundo superaron el gigavatio . A finales de 2019, alrededor de 9.000 parques solares tenían más de 4 MW de CA (escala de servicios públicos), con una capacidad combinada de más de 220 GW de CA. [73]
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 de propiedad comunitaria y de servicios públicos está aumentando. [75] 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 alcanzó la paridad de red en la mayoría de los mercados, los incentivos externos generalmente no se aplican. necesario.
Las plantas comerciales de energía solar de concentración (CSP), también llamadas "centrales 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 en California, es el proyecto de planta de energía termosolar 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 suele producirse alrededor de las 5 de la tarde, muchas centrales eléctricas de CSP utilizan de 3 a 5 horas de almacenamiento térmico. [76]
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 mano de obra, el 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 entre 25 y 40 años. [77] Por lo tanto, los costos iniciales de capital y financiamiento representan entre el 80 y el 90 por ciento del costo de la energía solar. [71] : 165
Algunos países están considerando topes de precios , [78] mientras que otros prefieren contratos por diferencia . [79]
En muchos países la energía solar es la fuente de electricidad más barata. [80] 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 coste más bajo del mundo para la producción de electricidad solar fotovoltaica: 1,04 céntimos de dólar por kWh. [81]
Los gastos 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 bajó a aproximadamente 4.000 dólares estadounidenses por kW. En 1992, el sistema fotovoltaico costaba aproximadamente 16.000 dólares estadounidenses por kW y bajó a aproximadamente 6.000 dólares estadounidenses por kW en 2008. [82]
En 2021, en EE. UU., la energía solar residencial costaba de 2 a 4 dólares por vatio (pero las tejas solares costaban mucho más) [83] y los costos de energía solar para servicios públicos rondaban 1 dólar por vatio. [84]
La productividad de la energía solar en una región depende de la irradiancia 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 del suelo y otros factores.
La energía eólica terrestre tiende a ser la fuente de electricidad más barata en el norte de Eurasia, Canadá, algunas partes de los Estados Unidos y la Patagonia en Argentina: mientras que en otras partes del mundo, principalmente la energía solar (o, menos frecuentemente, una combinación de energía eólica, solar y otras energías bajas en carbono) se cree que es lo mejor. [85] : 8 Los modelos de la Universidad de Exeter sugieren que para 2030 la energía solar será más barata en todos los países excepto en algunos del noreste de Europa. [86]
Los lugares con mayor irradiancia solar anual se encuentran en los trópicos y subtrópicos áridos. Los desiertos que se encuentran en latitudes bajas suelen tener pocas nubes y pueden recibir luz solar durante más de diez horas al día. [87] [88] Estos desiertos calientes forman el Cinturón Solar Global que rodea el mundo. Este cinturón está formado por 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 . [89]
De modo que 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 varios otros lugares. [85] : 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. [90] 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 pagado por la electricidad fotovoltaica vendida es significativamente más bajo que el precio de la electricidad comprada, lo que incentiva el autoconsumo. [91] Además, se han utilizado incentivos separados para el autoconsumo en, por ejemplo, Alemania e Italia. [91] La regulación de la interacción con la red también ha incluido limitaciones a la inyección a la red en algunas regiones de Alemania con grandes cantidades de capacidad fotovoltaica instalada. [91] [92] Al aumentar el autoconsumo se puede limitar sin restricciones la inyección a la red , lo que desperdicia electricidad. [93]
Una buena correspondencia entre generación y consumo es clave para un alto autoconsumo. El partido se puede mejorar con baterías o consumo eléctrico controlable. [93] Sin embargo, las baterías son caras y la rentabilidad puede requerir la prestación de otros servicios además del aumento del autoconsumo, [94] por ejemplo, evitar cortes de energía . [95] Los tanques de almacenamiento de agua caliente con calefacción eléctrica con bombas de calor o calentadores de resistencia pueden proporcionar almacenamiento de bajo costo para el autoconsumo de energía solar. [93] Las cargas desplazables, como lavavajillas, secadoras y lavadoras, pueden proporcionar un consumo controlable con sólo un efecto limitado sobre los usuarios, pero su efecto sobre el autoconsumo de energía solar puede ser limitado. [93]
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 estaba significativamente por encima de la paridad de la red, para permitir que la industria lograra las economías de escala necesarias para alcanzar paridad de la red. Desde que se alcanzó la paridad de red, se implementan algunas políticas para promover la independencia energética nacional, [96] la creación de empleos de alta tecnología [97] y la reducción de las emisiones de CO 2 . [96]
Los incentivos financieros para la energía fotovoltaica difieren entre países, incluidos Australia , [98] China , [99] Alemania , [100] India , [101] Japón y Estados Unidos , e incluso entre estados dentro de Estados Unidos.
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 batería de almacenamiento gigante. Con la medición neta, los déficits se facturan cada mes, mientras que los superávits se transfieren al mes siguiente. Las mejores prácticas exigen una renovación perpetua de los créditos de kWh. [102] Los créditos excedentes tras la terminación del servicio se pierden o se pagan a una tasa que va desde la tarifa mayorista hasta la tarifa minorista o superior, al igual que los créditos anuales excedentes. [103]
Un proyecto solar comunitario es una instalación de energía solar que acepta capital y proporciona 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. [105]
En algunos países se imponen aranceles (impuestos de importación) a los paneles solares importados. [106] [107]
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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 usarse localmente, transportarse a través de líneas de transmisión para usarse en otros lugares o almacenarse (por ejemplo, en una batería). Dado que la energía solar no está disponible por la noche, almacenarla para tener disponibilidad continua de electricidad es potencialmente un tema importante, particularmente en aplicaciones fuera de la red y para futuros escenarios de energía 100% renovable . [111]
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 se adapta bien a las demandas de refrigeración diurna. [112]
Las plantas de energía solar concentrada pueden utilizar almacenamiento térmico para almacenar energía solar, como en 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 suministrar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. Este método de almacenamiento de energía lo utiliza, por ejemplo, la central Solar Two , 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 alrededor del 99%. . [113]
En los sistemas fotovoltaicos autónomos, las baterías se utilizan tradicionalmente para almacenar el exceso de electricidad. Con los sistemas de energía fotovoltaica conectados a la red , el exceso de electricidad puede enviarse 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 desde la red cuando el sistema no puede satisfacer la demanda, comerciando efectivamente con la red en lugar de almacenar el exceso de electricidad. [114] 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. A medida que los precios bajan rápidamente, los sistemas fotovoltaicos utilizan cada vez más baterías recargables para almacenar el excedente y utilizarlo más tarde por la noche. Las baterías utilizadas para el almacenamiento en la red pueden estabilizar la red eléctrica nivelando las cargas máximas durante unas horas. En el futuro, las baterías menos costosas podrían desempeñar un papel importante en la red eléctrica, ya que pueden cargarse durante períodos en los 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 , hidruro metálico de níquel e iones de litio . [115] [116] [ se necesita una mejor fuente ] Las baterías de iones de litio tienen el potencial de reemplazar las baterías de plomo-ácido en un futuro próximo, 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 Gigafactory 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. Las baterías de vehículos eléctricos retiradas se pueden reutilizar. [117] Otras baterías recargables utilizadas para sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen baterías redox de sodio-azufre y vanadio , dos tipos destacados de sal fundida y batería de flujo , respectivamente. [118] [119] [120]
Las plantas de energía solar, aunque pueden reducirse, normalmente 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, nuclear, hidroelectricidad) generalmente sube y baja como reacción al aumento y caída de la electricidad solar y a las variaciones en la demanda (ver carga a continuación). planta de energía ).
Las represas hidroeléctricas convencionales funcionan 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 una geografía adecuada, la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo puede utilizar energía solar para bombear agua a un embalse 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 embalse bajo donde El ciclo puede comenzar de nuevo. [122]
Si bien las plantas hidroeléctricas y de gas natural pueden responder rápidamente a los cambios de carga; Las plantas de carbón, biomasa y nucleares suelen tardar un tiempo considerable en responder a la carga y sólo pueden programarse para seguir la variación predecible. Dependiendo de las circunstancias locales, más allá de alrededor del 20% al 40% de la generación total, las fuentes intermitentes conectadas a la red, como la energía solar, tienden a requerir inversión en alguna combinación de interconexiones de la 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, incentivando así el almacenamiento de nuevas baterías . [123] [124]
La combinación de energía eólica y solar fotovoltaica tiene la ventaja de que las dos fuentes se complementan porque los picos de funcionamiento de cada sistema se producen en diferentes momentos del día y del año. [125] La generación de energía de tales sistemas de energía híbridos solares es, por lo tanto, más constante y fluctúa menos que cada uno de los dos subsistemas componentes. [126] La energía solar es estacional, particularmente en climas norte/sur, lejos del ecuador, lo que sugiere la necesidad de almacenamiento estacional a largo plazo en un medio como el hidrógeno o la energía hidroeléctrica de bombeo. [127]
La energía solar es más limpia que la electricidad procedente de combustibles fósiles , [20] por lo que puede ser buena para el medio ambiente cuando la reemplace. [128] La energía solar no genera emisiones nocivas durante su funcionamiento, pero la producción de los paneles genera cierta contaminación. Un estudio de 2021 estimó la huella de carbono de la fabricación de paneles monocristalinos en 515 g CO 2 /kWp en EE. UU. y 740 g CO 2 /kWp en China, [129] pero se espera que disminuya a medida que los fabricantes utilicen más electricidad limpia y materiales reciclados. [130] La energía solar conlleva un costo 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], [130] pero ofrece energía limpia durante el resto de su vida útil de 30 años. [131]
Las emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida de las granjas solares son inferiores a 50 gramos (g) por kilovatio-hora (kWh), [132] [133] [134] , pero con el almacenamiento en baterías podrían ser de hasta 150 g/kWh. [135] Por el contrario, una central eléctrica alimentada por gas de ciclo combinado sin captura ni almacenamiento de carbono emite alrededor de 500 g/kWh, y una central eléctrica alimentada por carbón, alrededor de 1000 g/kWh. [136] Al igual que con todas las fuentes de energía donde las emisiones totales del 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. [134]
La densidad de potencia superficial del ciclo de vida de la energía solar varía mucho [137] , pero tiene un promedio de alrededor de 7 W/m2, en comparación con aproximadamente 240 para la energía nuclear y 480 para el gas. [138] Sin embargo, cuando se tiene en cuenta el terreno necesario para la extracción y el procesamiento de gas, se estima que la energía del gas no tiene una densidad de energía mucho mayor que la solar. [20] 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, para obtener entre el 25 y el 80% de la electricidad de granjas solares en su propio territorio para 2050, los paneles requerirían cubrir tierras que oscilan entre el 0,5 y el 2,8% de la Unión Europea , entre el 0,3 y el 1,4% en la India y entre el 1,2 y el 1,4% en la India. 5,2% en Japón y Corea del Sur . [139] La ocupación de áreas tan grandes para granjas fotovoltaicas podría generar oposición residencial y provocar deforestación, eliminación de vegetación y conversión de tierras agrícolas. [140] Sin embargo, algunos países, como Corea del Sur y Japón, utilizan tierras para la agricultura con energía fotovoltaica , [141] [142] o energía solar flotante, [143] junto con otras fuentes de energía con bajas emisiones de carbono . [144] [145] El uso de la tierra en todo el mundo tiene un impacto ecológico mínimo. [146] El uso del suelo se puede reducir al nivel de energía de gas mediante la instalación en edificios y otras áreas urbanizadas. [137]
En la producción de paneles solares se utilizan materiales nocivos, pero generalmente en pequeñas cantidades. [147] A partir de 2022, [update]el impacto ambiental de la perovskita es difícil de estimar, pero existe cierta preocupación de que el plomo pueda convertirse en un problema. [20] 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 del despliegue a gran escala de energía solar y las actualizaciones requeridas de la red. [148] [149] También es posible que se necesite más telurio e indio y el reciclaje puede ayudar. [20]
Como los paneles solares a veces se reemplazan por paneles más eficientes, los paneles de segunda mano a veces se reutilizan en países en desarrollo, por ejemplo en África . [150] Varios países tienen regulaciones específicas para el reciclaje de paneles solares . [151] [152] [153] Aunque el costo de mantenimiento ya es bajo en comparación con otras fuentes de energía, [154] algunos académicos han pedido que los sistemas de energía solar se diseñen para que sean más reparables . [155] [156]
Una proporción muy pequeña de la energía solar es energía solar concentrada . La energía solar concentrada puede utilizar mucha más agua que la energía alimentada por gas. Esto puede ser un problema, ya que este tipo de energía solar necesita luz solar intensa, por lo que a menudo se construye en los desiertos. [157]
La geopolítica no puede interrumpir la producción solar una vez instalada, a diferencia del petróleo y el gas, lo que contribuye a la seguridad energética . [159]
A partir de 2022, [update]más del 40% de la capacidad mundial de fabricación de polisilicio se encuentra en Xinjiang, China , [ 160] lo que genera preocupación por las violaciones de derechos humanos ( campos de internamiento de Xinjiang ), así como por la dependencia de la cadena de suministro. [161]
La aparente contradicción que puede surgir del hecho de que las grandes plantas fotovoltaicas ocupen más terreno que las relativamente compactas de carbón o gas se debe a la inclusión en el cálculo de los impactos en la ocupación del suelo derivados de la minería del carbón y la extracción de petróleo o gas;
si se incluyen, el impacto sobre la ocupación de la tierra es mayor para los combustibles fósiles.
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