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Este artículo trata sobre la generación de electricidad mediante energía solar. Para otros usos de la energía solar, consulte Energía solar .
No confundir con la luminosidad solar .

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 promedio 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
Parte de una serie sobre
Energía sostenible
Turbinas eólicas cerca de Vendsyssel, Dinamarca (2004)
Visión general
Conservación de energía
Energía renovable
Transporte sustentable

La energía solar es la conversión de energía de la luz solar en electricidad , ya sea usando directamente energía fotovoltaica (PV), indirectamente usando 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 . [1]

La energía fotovoltaica se utilizó inicialmente únicamente como fuente de electricidad para aplicaciones pequeñas y medianas, desde la calculadora alimentada por una sola célula solar hasta hogares remotos alimentados por un sistema fotovoltaico en la azotea fuera de la red . 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 servicios públicos con cientos de megavatios. La energía solar fotovoltaica se está convirtiendo rápidamente en una tecnología económica y con bajas emisiones de carbono para aprovechar la energía renovabledel sol. La actual central fotovoltaica más grande del mundo es el Parque Solar Pavagada , Karnataka, India , con una capacidad de generación de 2050 MW. [2]

La Agencia Internacional de Energía proyectó en 2014 que bajo su escenario de "altas energías renovables", para 2050, la energía solar fotovoltaica y la energía solar concentrada contribuirían con alrededor del 16 y 11 por ciento, respectivamente, del consumo mundial de electricidad , y la energía solar sería la fuente más grande de energía del mundo. electricidad. La mayoría de las instalaciones solares estarían en China e India . [3] En 2017, la energía solar proporcionó el 1,7% de la producción total de electricidad en todo el mundo, un 35% más que el año anterior. [4] En octubre de 2020, el costo nivelado no subsidiado de la electricidad para energía solar a gran escala es de alrededor de $ 36 / MWh. [5]

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 cada vez mayor 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:

  • Los sistemas fotovoltaicos (PV) utilizan paneles solares , ya sea en tejados o en granjas solares montadas en el suelo , convirtiendo la luz solar directamente en energía eléctrica.
  • Las plantas de energía solar concentrada (CSP, también conocida como "termosolar concentrada") utilizan energía solar térmica para producir vapor, que luego se convierte en electricidad mediante una turbina.

Celdas fotovoltaicas

Artículos principales: Fotovoltaica y Celda Solar
Esquemas de un sistema de energía fotovoltaica residencial conectado a la red [6]

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. [7] El industrial alemán Ernst Werner von Siemens fue uno de los que reconocieron la importancia de este descubrimiento. [8] En 1931, el ingeniero alemán Bruno Lange desarrolló una fotocélula que usaba seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre , [9] aunque las células prototipo de selenio convertían menos del 1% de la luz incidente en electricidad. Siguiendo el trabajo de Russell Ohlen la década de 1940, los investigadores Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin crearon la célula solar de silicio en 1954. [10] Estas primeras células solares costaban 286 dólares EE.UU. / vatio y alcanzaron eficiencias de 4,5 a 6%. [11] En 1957, Mohamed M. Atalla desarrolló el proceso de pasivación de la superficie del silicio por oxidación térmica en Bell Labs . [12] [13] Desde entonces, el proceso de pasivación de la superficie ha sido fundamental para la eficiencia de las células solares . [14]

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 . [6] 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. [6]

Muchos sistemas fotovoltaicos residenciales están conectados a la red siempre que estén disponibles, especialmente en países desarrollados con grandes mercados. [15] En estos sistemas fotovoltaicos conectados a la red , el uso del 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.
Artículo principal: energía solar concentrada

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

Existe una amplia gama de tecnologías de concentración: entre las más conocidas se encuentran el cilindro parabólico , el reflector Fresnel lineal compacto , 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. [17] El almacenamiento térmico permite de manera eficiente la generación de electricidad durante 24 horas. [18]

Un canal 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. [19] Las plantas de Sistemas de Generación de Energía Solar en California y Nevada Solar One de Acciona cerca de Boulder City, Nevada son representantes de esta tecnología. [20] [21]

Los reflectores 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. [22] [23]

El plato solar Stirling combina un plato de concentración 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 de conversión de la luz solar en electricidad y una vida útil más prolongada. Los sistemas de plato parabólico ofrecen la mayor eficiencia entre las tecnologías CSP. [24] El Big Dish de 50 kW en Canberra , Australia, es un ejemplo de esta tecnología. [20]

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 a electricidad) que los esquemas de CSP de seguimiento lineal y una mejor capacidad de almacenamiento de energía que las tecnologías de descarga de platos. [20] 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 salida 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 energía solar concentrada, o también conocida como energía solar térmica concentrada. [25]
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 . [26] Las combinaciones con otras energías renovables son posibles e incluyen turbinas eólicas . [27]
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. [28]

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

Desarrollo y despliegue

Ver también: Crecimiento de la energía fotovoltaica , Cronología de las células solares , Energía solar por país y Energía solar concentrada § Implementación en todo el mundo
Evolución de la producción de energía solar por región
Cuota de producción de electricidad a partir de energía solar, 2019 [29]
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 [30]

     Solar PV    CSP - Solar térmica     

Crecimiento de la energía solar fotovoltaica a escala semilogarítmica desde 1992
Generación de energía solar
AñoEnergía ( TWh )% del total
20042.60,01%
20053,70,02%
20065,00,03%
20076,80,03%
200811,40,06%
200919,30,10%
201031,40,15%
201160,60,27%
201296,70,43%
2013134,50,58%
2014185,90,79%
2015253.01,05%
2016328,21,31%
2017442,61,73%
Fuentes : [31] [32] [33] [34]

Primeros días

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. 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. [35] Sin embargo, el desarrollo de tecnologías solares se estancó a principios del siglo XX ante la creciente disponibilidad , economía y utilidad del carbón y el petróleo . [36] En 1974 se calculó que sólo seis hogares privados en toda América del Norte se calentaron o enfriaron por completo mediante sistemas funcionales de energía solar. [37] El embargo de petróleo de 1973 y la crisis energética de 1979provocó una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo y atrajo una renovada atención al desarrollo de tecnologías solares. [38] [39] Estrategias de implementación enfocadas en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización de Energía Fotovoltaica en los Estados Unidos 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 ). [40] 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 de 1984 a 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. [41] 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 despliegues fotovoltaicos 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, Tokelause convirtió en el primer país en ser alimentado íntegramente por células fotovoltaicas, con un sistema de 1 MW que utiliza baterías para la energía nocturna. [42]

El crecimiento mundial de la energía fotovoltaica ha sido, en promedio, del 40% anual entre 2000 y 2013 [43] y la capacidad instalada total alcanzó los 303 GW a finales de 2016, siendo China la que tiene la mayor cantidad de instalaciones acumuladas (78 GW) [44] y Honduras el porcentaje teórico más alto. del uso anual de electricidad que podría ser generado por energía solar fotovoltaica (12,5%). [44] [43] Los principales fabricantes se encuentran en China. [45] [46]

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. [47] : 51 A finales de 2013, la capacidad de CSP acumulada mundial 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 forma 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. [48] Cuatro años después, 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). [3]

Centrales fotovoltaicas

Artículos principales: Central fotovoltaica y Lista de 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 . [49] 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. [2]

Las mayores centrales fotovoltaicas a febrero de 2020
NombrePaísCapacidad
MW p		Generación
GWh pa		Tamaño
km 2		AñoÁrbitro
Parque Solar PavagadaIndia2.050532017[2] [50] [51]
Parque solar del desierto de Tenggerporcelana1,547432016[52] [53]
Parque Solar BhadlaIndia1,515402017[54] [55] [56]
Parque solar Kurnool Ultra MegaIndia1.000242017[57]
Base de corredor superior de energía solar Datongporcelana1.0002016[58] [59] [60]
Parque solar Longyangxia Damporcelana850232015[61] [62] [63] [64] [65]
Rewa Ultra Mega SolarIndia7502018[66]
Proyecto de energía solar KamuthiIndia64810.12016[67] [68]
Estrella solar (I y II)Estados Unidos5791,664132015[69] [70]
Granja Solar TopazEstados Unidos5501,30124,6 [71]2014[72] [73] [74]

Centrales solares de concentración

Artículo principal: Lista de centrales solares térmicas
Ivanpah Solar Electric Generating System con las tres torres bajo carga durante febrero de 2014, con la Cordillera de Clark visto en la distancia
Parte del complejo solar cilindroparabólico de 354 MW de sistemas de generación de energía solar (SEGS) en el norte del condado de San Bernardino, California

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 planta de energía solar Ivanpah de 377 MW , ubicada en el desierto de Mojave en California, es el proyecto de planta de energía solar térmica más grande del mundo. Otras grandes centrales 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. [75]

Las mayores centrales termosolares operativas
NombreCapacidad
( MW )		LocalizaciónNotas
Planta de energía solar de Ivanpah392Desierto de Mojave , California , EE.En funcionamiento desde febrero de 2014. Ubicado al suroeste de Las Vegas .
Sistemas de generación de energía solar354Desierto de Mojave, California, EE.Encargado entre 1984 y 1991. Colección de 9 unidades.
Proyecto Solar Mojave280Barstow , California, Estados UnidosCompletado en diciembre de 2014
Estación Generadora Solana280Gila Bend , Arizona , Estados UnidosFinalizado en octubre de 2013
Incluye un almacenamiento de energía térmica de 6 horas
Proyecto Genesis Solar Energy250Blythe , California, Estados UnidosCompletado en abril de 2014
Central solar de Solaben [76]200Logrosán , EspañaCompletado 2012-2013 [77]
No o yo160MarruecosCompletado 2016
Estación de energía solar Solnova150Sevilla , EspañaTerminado en 2010
Central solar Andasol150Granada , EspañaFinalizado en 2011. Incluye un almacenamiento de energía térmica de 7,5 h.
Estación de energía solar Extresol150Torre de Miguel Sesmero , EspañaCompletado 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

Ley de Swanson : la curva de aprendizaje fotovoltaica
Energía solar fotovoltaica - LCOE para Europa hasta 2020 (en cts de euros por kWh ) [78]
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. Ajustándose a la inflación, costaba 96 dólares por vatio un módulo solar a mediados de la década de 1970. Las mejoras en los procesos y un gran impulso en la producción han reducido esa cifra a 68 centavos por vatio en febrero de 2016, según datos de Bloomberg New Energy Finance. [79] Palo Alto California firmó un acuerdo de compra al por mayor en 2016 que aseguraba energía solar por 3,7 centavos por kilovatio-hora. Y en la soleada DubaiLa 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 de origen fósil y más barata que la mayoría". [80] En 2020, el proyecto del PNUD "Mejora de la resiliencia rural 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 diésel cuesta 42 centavos por hora ). [81]

Los sistemas fotovoltaicos no utilizan combustible y los módulos suelen durar de 25 a 40 años. Por tanto, los costes de capital constituyen la mayor parte del coste 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. [82] Los gobiernos han creado varios incentivos financieros para fomentar el uso de la energía solar, como programas de tarifas de alimentación . Además, los estándares de 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. En la mayoría de los estados, los objetivos de RPS se pueden lograr mediante cualquier combinación de energía solar, eólica, biomasa,tecnologías de gas de vertedero , océano, geotermia, residuos sólidos urbanos , hidroeléctrica, hidrógeno o pilas de combustible. [83]

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. [84]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 50% de los sistemas comerciales de los Estados Unidos se instalaron de esta manera en 2007 y más del 90% en 2009. [85]

Shi Zhengrong ha dicho que, a partir de 2012, la energía solar no subsidiada ya es 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 contra las fuentes de energía convencionales en la mitad del mundo en 2015”. [86]

Precios de instalación actuales

Precios del sistema fotovoltaico a escala de servicios públicos
PaísCosto ($ / W)Año y referencias
Australia2.02013 [3] : 15
porcelana1.42013 [3] : 15
Francia2.22013 [3] : 15
Alemania1.42013 [3] : 15
Italia1,52013 [3] : 15
Japón2.92013 [3] : 15
Reino Unido1,92013 [3] : 15
Estados Unidos1,25Junio ​​de 2016 [87]

En su edición de 2014 de la Hoja de ruta tecnológica: informe de energía solar fotovoltaica , la Agencia Internacional de Energía (AIE) publicó los precios de los sistemas fotovoltaicos residenciales, comerciales y de servicios públicos para ocho mercados principales a partir de 2013 (consulte la tabla a continuación) . [3] Sin embargo, la Iniciativa SunShot del DOE ha informado precios de instalación mucho más bajos en Estados Unidos. En 2014, los precios continuaron cayendo. La Iniciativa SunShot modeló los precios de los sistemas estadounidenses en el rango de $ 1,80 a $ 3,29 por vatio. [88] Otras fuentes identifican rangos de precios similares de 1,70 a 3,50 dólares para los diferentes segmentos del mercado en los Estados Unidos, [89]y en el mercado alemán altamente penetrado, los precios de los sistemas de tejados residenciales y comerciales pequeños de hasta 100 kW se redujeron a 1,36 dólares por vatio (1,24 € / W) a finales de 2014. [90] En 2015, Deutsche Bank estimó los costes para los pequeños Los sistemas residenciales de techo en los EE. UU. alrededor de $ 2.90 por vatio. Los costos de los sistemas a gran escala en China e India se estimaron tan bajos como $ 1,00 por vatio. [91]

Paridad de la red

Artículo principal: paridad de cuadrícula

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 , se logra más fácilmente en áreas con abundante sol y altos costos de electricidad como en California y Japón . [92] En 2008, el costo nivelado de la electricidad para la energía solar fotovoltaica fue de 0,25 dólares / kWh o menos en la mayoría de los países de la OCDE . A 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 regiones más soleadas. Estos niveles de costos están impulsando tres tendencias emergentes: integración vertical de la cadena de suministro, originación de acuerdos de compra de energía(PPA) de las empresas de energía solar y un riesgo inesperado para las empresas de generación de energía tradicionales, los operadores de redes y los fabricantes de turbinas eólicas . [93]

La paridad de red se alcanzó por primera vez en España en 2013, [94] 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. [95] [ verificación fallida ] [96]

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: [97] 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. [ 93]

Productividad por ubicación

Ver también: irradiancia solar

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 de 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. [98] [99] Estos desiertos calientes forman el Cinturón Solar Global que rodea el mundo. Este cinturón consta de amplias 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 . [100] Desierto del Sahara oriental de África , también conocido como el desierto de Libia, se ha observado que es el lugar más soleado de la Tierra según la NASA. [101] [102]

A continuación se muestran diferentes medidas de irradiancia solar ( irradiancia normal directa, irradiancia horizontal global):

  • América del norte

  • Sudamerica

  • Europa

  • África y Medio Oriente

  • Asia meridional y sudoriental

  • Australia

  • Mundo

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. Por ejemplo, en Alemania, con precios de electricidad de 0,25 € / kWh e insolación de 900 kWh / kW, un kWp ahorrará 225 € al año, y con un costo de instalación de 1700 € / KWp el costo del sistema se devolverá en menos de siete años. [103]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. [104] Además, se han utilizado incentivos separados para el autoconsumo, por ejemplo, en Alemania e Italia. [104] 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. [104] [105]Al aumentar el autoconsumo, la alimentación de la red se puede limitar sin restricciones , lo que desperdicia electricidad. [106]

Una buena correspondencia entre generación y consumo es clave para un alto autoconsumo y debe tenerse en cuenta a la hora de decidir dónde instalar energía solar y cómo dimensionar la instalación. El partido se puede mejorar con baterías o consumo eléctrico controlable. [106] Sin embargo, las baterías son caras y la rentabilidad puede requerir la prestación de otros servicios además del aumento del autoconsumo. [107] 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. [106]Las cargas cambiantes, 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. [106]

Precios e incentivos de la energía

Artículo principal: incentivos financieros fotovoltaicos

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 combinados 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. [108]

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 producción y 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 efectivamente la red como un 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. [109]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 tarifa mayorista, al igual que los créditos restantes cuando un cliente cancela el servicio. [110]

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 red eléctrica. 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. [ cita requerida ] En algunos países, se ofrecen incentivos adicionales para la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) en comparación con la fotovoltaica independiente: [ cita requerida ]

  • Francia + 0,16 EUR / kWh (en comparación con semi-integrado) 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 solar renovable (SREC)

Alternativamente, 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 un 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 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 , [111] Alemania , [112] Israel , [113] Japón y los Estados Unidos e incluso entre los estados dentro de los Estados Unidos.

El gobierno japonés, a través de su Ministerio de Industria y Comercio Internacional, llevó a cabo un exitoso programa de subsidios de 1994 a 2003. A fines de 2004, Japón lideró el mundo en capacidad fotovoltaica instalada con más de 1,1  GW . [114]

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 [ cita requerida ] . 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 a 20 años. El valor de los nuevos contratos está programado para disminuir cada año, con el fin de alentar a la industria a traspasar 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 de los consumidores [ cita requerida ] .

Posteriormente, España , Italia , Grecia —que disfrutó de un éxito temprano con instalaciones termosolares domésticas para las necesidades de agua caliente— y Francia introdujo tarifas de alimentación [ cita requerida ] . 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. Las tarifas reguladas francesas y griegas ofrecen una prima elevada (0,55 EUR / kWh) para la construcción de sistemas integrados [ cita requerida ]. California, Grecia, Francia e Italia tienen entre un 30% y un 50% más de insolación que Alemania, lo que las hace más atractivas financieramente. El programa de "techo solar" doméstico griego (adoptado en junio de 2009 para instalaciones de hasta 10 kW) tiene tasas internas de rendimiento del 10-15% a los costos de instalación comercial actuales, que, además, está libre de impuestos [ cita requerida ] .

En 2006, California aprobó la ' Iniciativa Solar de California ', que ofrece una opción de subsidios a la inversión o FIT para sistemas pequeños y medianos y un FIT para sistemas grandes [ cita requerida ] . El FIT para sistemas pequeños de $ 0.39 por kWh (mucho menos que los países de la UE) vence en solo 5 años, y el incentivo alternativo de inversión residencial "EPBB" es modesto, con un promedio de quizás el 20% del costo. Todos los incentivos de California están programados para disminuir en el futuro dependiendo de la cantidad de capacidad fotovoltaica instalada.

A finales de 2006, la Ontario Power Authority (OPA, Canadá) inició su Programa de Oferta Estándar, un precursor de la Ley de Energía Verde , y el primero en Norteamérica para proyectos renovables distribuidos de menos de 10 MW [ cita requerida ] . La tarifa de alimentación garantizó un precio fijo de 0,42 dólares canadienses por kWh durante un período de veinte años. A diferencia de la medición neta, toda la electricidad producida se vendió a la OPA a la tarifa indicada.

Integración a la red

Artículos principales: almacenamiento de energía y almacenamiento de energía de la red
Construcción de los tanques de sal que proporcionan un almacenamiento eficiente de energía térmica [115] para que la producción pueda proporcionarse después de la puesta del sol, y la producción pueda programarse para satisfacer los requisitos de la demanda. [116] La estación 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. [117]
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 disponibilidad continua de electricidad. [118]

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 al aumento y la caída 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 de 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 . [119] [120]

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 hidroelectricidad 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. [121] 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 usar 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 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%. . [122]

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 mes a mes y cualquier excedente restante se liquida anualmente. [123] 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 se utilizará más tarde por la noche. Las baterías que se utilizan para el almacenamiento en la red estabilizan la red eléctrica al nivelar las cargas máximas generalmente durante varios minutos y, en raras ocasiones, durante 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 su energía almacenada a la red cuando la demanda es mayor que la generación.

Aunque no está permitido por el Código Eléctrico Nacional de EE. UU., Es técnicamente posible tener un microinversor fotovoltaico " plug and play ". Un artículo de revisión reciente encontró que un diseño cuidadoso del sistema permitiría que dichos sistemas cumplan con todos los requisitos técnicos, aunque no con todos los requisitos de seguridad. [124] Hay varias empresas que venden sistemas solares plug and play disponibles en la web, pero existe la preocupación de que si las personas instalan los suyos propios, se reducirá la enorme ventaja laboral que la energía solar tiene sobre los combustibles fósiles . [125]

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 laGigafábrica 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 los sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen, baterías redox de sodio-azufre y vanadio , dos tipos prominentes de una sal fundida y una batería de flujo , respectivamente. [126] [127] [128]

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. [27] 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. [129] El Instituto de Tecnología de Suministro de Energía Solar de la Universidad de Kassel realizó una prueba piloto de una planta de energía combinada que conecta energía solar, eólica, biogás yHidroelectricidad de almacenamiento por bombeo para proporcionar energía de seguimiento de carga a partir de fuentes renovables. [130]

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 intentando desarrollar técnicas que integren una captura de luz mejorada, métodos de transferencia de electrones de coherencia cuántica y materiales catalíticos baratos que operan en una variedad de condiciones atmosféricas. [131]Investigadores de alto nivel en el campo han presentado el caso de política pública para un Proyecto Global sobre Fotosíntesis Artificial para abordar problemas críticos de seguridad energética y sostenibilidad ambiental. [132]

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 solar fotovoltaica, respectivamente. Con esto potencialmente disminuyendo a 15 g / kWh en el futuro. [133] [ necesita actualización ] A modo de comparación (de los promedios ponderados), una planta de energía de ciclo combinado a gas emite entre 400 y 599 g / kWh, [134] una planta de energía a petróleo 893 g / kWh, [134] a central eléctrica de carbón 915-994 g / kWh [135] o con captura y almacenamiento de carbono unos 200 g / kWh, [ cita requerida ] y ungeotermia de alta temperatura. planta de energía 91–122 g / kWh. [134] La intensidad de emisión del ciclo de vida de la energía hidroeléctrica , eólica y nuclear es menor que la solar a partir de 2011 [ necesita actualización ] según lo publicado por el IPCC, y discutido 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 carbonoen 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, 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. [136]

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. . [137] 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
2e / kWh. Usando 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. [138]

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 geotermia) 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 de combustible. [139]

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. [140]

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. [141] En 2000, el tiempo de recuperación de la energía de los sistemas fotovoltaicos se estimó en 8 a 11 años [142] y en 2006 se estimó en 1,5 a 3,5 años para los sistemas fotovoltaicos de silicio cristalino [133] y de 1 a 1,5 años para los de película delgada. tecnologías (S. Europa). [133]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. [143]

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), [144] que es la proporción de electricidad generada dividida por la energía necesaria para construir y mantener el equipamiento. (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, [145] el EROEI de los sistemas fotovoltaicos está en el rango de 10 a 30, generando así suficiente energía a lo largo de sus vidas para reproducirse muchas veces (6-31 reproducciones) dependiendo del tipo de material,equilibrio del sistema (BOS) y la ubicación geográfica del sistema. [146]

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. [147]

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 una mayor intensidad de agua. [148] Un estudio de 2013 que comparó varias fuentes de electricidad encontró que el consumo medio de agua durante las operaciones de las plantas de energía solar de concentración con enfriamiento húmedo fue de 3,1 metros cúbicos por megavatio-hora (810 gal EE.UU. / MWh) para las 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 US gal / MWh). [147] Un estudio de 2011 del Laboratorio Nacional de Energía Renovable llegó a conclusiones similares: para las centrales eléctricas con torres de refrigeración, el consumo de agua durante las operaciones fue de 3,27 m 3 / MWh (865 gal EE.UU. / MWh) para la cubeta de CSP, 2,98 m 3 / MWh (786 US gal / MWh) para torre CSP, 2,60 m 3 / MWh (687 US gal / MWh) para carbón, 2,54 m 3 / MWh (672 US gal / MWh) para energía nuclear y 0,75 m 3 / MWh (198 US gal / MWh) para gas natural. [149] 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). [150]El problema del consumo de agua se ve agravado 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. [151] 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 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 promedio 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. [152] Desde la década de 1970, la mayoría de las centrales eléctricas de EE. UU. Han utilizado sistemas de recirculación, como torres de refrigeración, en lugar de sistemas de paso único. [153]

Otros asuntos

Un tema que a menudo ha suscitado preocupaciones 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 . [154] 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 generan emisiones de cadmio de 0,3 a 0,9microgramos / kWh durante todo el ciclo de vida. [133] La mayoría de estas emisiones surgen del uso de energía del 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 la energía del carbón en el proceso de fabricación podrían eliminarse por completo. [155]

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. [154]

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. [156] [157] Este efecto adverso no se aplica a las plantas de energía solar fotovoltaica, y algunas de las alegaciones pueden haber sido exageradas o exageradas. [158]

Un análisis del ciclo de vida del uso de la tierra para varias fuentes de electricidad publicado en 2014 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, usando 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. [159]

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 5.670 toneladas métricas de desechos peligrosos después de quebrar después de 4 años de operaciones. [140] La fabricación de paneles solares requiere elementos de tierras raras , que producen desechos radiactivos de baja actividad durante el proceso de extracción (ver también: Elemento de tierras raras # Consideraciones ambientales).

Tecnologías emergentes

Concentrador fotovoltaico

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

Los sistemas de concentradores fotovoltaicos (CPV) emplean la 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, que a menudo se montan en un seguidor solar para mantener el punto focal sobre la celda mientras el sol se mueve por el cielo. [160] Concentradores solares luminiscentes(cuando se combina con una célula solar fotovoltaica) también se puede considerar como un sistema CPV. La energía fotovoltaica concentrada es útil ya que puede mejorar drásticamente la eficiencia de los paneles solares fotovoltaicos. [161]

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 se opera 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. [162] [163] [164] [165] Estos sistemas reducen la necesidad de terrenos valiosos, 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 temperatura más fría que en tierra. [166] Aunque no son flotantes, otras instalaciones de doble uso con energía solar incluyen la pesca . [167]

Ver también

  • Energía 100% renovable
  • Costo de la electricidad por fuente
  • Lista de ciudades por duración del sol
  • Lista de proyectos de almacenamiento de energía
  • Lista de organizaciones de energía renovable
  • Índice de artículos sobre energía solar
  • Lista de centrales fotovoltaicas
  • Lista de centrales termosolares
  • Energía renovable
  • Lista de temas de energía renovable por país
  • Comercialización de energías renovables
  • Energía solar
  • Lámpara solar
  • Vehículo solar
  • Energía sostenible
  • Cronología de las células solares

Referencias

  1. ^ "Fuentes de energía: solar" . Departamento de Energía . Archivado desde el original el 14 de abril de 2011 . Consultado el 19 de abril de 2011 .
  2. ↑ a b c Ranjan, Rakesh (27 de diciembre de 2019). "El parque solar más grande del mundo en Pavagada de Karnataka es ahora completamente operativo" . Mercom India . Consultado el 13 de febrero de 2020 .
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Fuentes

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Otras lecturas

Recursos de la biblioteca sobre
energía solar
  • Recursos en su biblioteca
  • Recursos en otras bibliotecas
  • 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.