energia solar

La energía solar es la solución definitiva. Las fuentes de energía tuvieron 3 olas históricas: (1) el uso de biomasa y fuerza animal (incluida la humana); (2) las fuentes fósiles desde 1750 (carbón, petróleo y gas, incluida la nuclear) y (3) las fuentes renovables (hidráulica, eólica, solar térmica y fotovoltaica, marina y geotérmica). La Energía Solar FotoVoltaica ESFV (mediante paneles solares) es una de las muchas variantes de energías renovables, pero a la vez es una solución definitiva por su capacidad para generar energía en el mismo lugar donde se consume (puede estar tan distribuida como se quiera). Es la cuarta ola (4) las fuentes de autoabastecimiento. En el 2016, Argentina se encuentra en un estado embrionario en el uso de ESFV para autogeneración (consumo local) y muy atrasada respecto de países vecinos. El reemplazo llevará décadas, de forma que el uso de fuentes fósiles tendrá un largo declive impulsado por la mejora en la eficiencia energética y la implementación de fuentes renovables. <<< >>> La ESFV convierte en forma directa la radiación solar en corriente continua. Como no hay pasajes intermedios, la conversión es “limpia” (no emite gases efecto invernadero); aunque tiene un costo inicial por fabricación medida como huella de carbono y huella de “tierras raras”. Es una fuente inagotable y disponible en casi todas partes (la energía eólica solo se da en ciertos lugares); pero es intermitente porque depende de la presencia directa del sol. La conversión no tiene partes móviles (no produce ruido como la eólica) y no requiere casi mantenimiento. El resto de este trabajo analiza los problemas y soluciones de la ESFV. <<< >>>
(1) La ESFV aparenta ser casi-infinita. Todas las fuentes de energía provienen del sol, excepto la nuclear y geotérmica (que también es nuclear). Las energías no renovables (carbón, petróleo y gas) fueron energía solar (plancton y plantas) fosilizada desde hace 400 Ma. A la Tierra llegan 120.000 TW (tera watt, millones de mega watt) de energía solar que se equilibra con lo disipado en forma de calor al espacio. Pero el aumento de CO2 en la era industrial produce un desbalance de 389 TW en la atmósfera que se convierte en aumento de temperatura. El aumento es a un ritmo de 16 TW al año. En tanto se transforman 47 TW desde fuentes fósiles (17 TW) y demás fuentes en calor. El efecto humano es mayor que todos los terremotos, volcanes y movimientos de las placas tectónicas en su conjunto. <<< >>> El problema es agregar calor al sistema. Si se hierve agua con energía eléctrica desde energía nuclear, se está añadiendo calor extra a la atmósfera. La única energía que no calienta adicionalmente es la solar y sus derivados (eólica, hidráulica, olas). Carl Sagan argumentaba que cualquier civilización inteligente tendrá que utilizar la energía de su estrella madre; se limitará exclusivamente a la energía solar que absorbe el planeta, nada extra, incluyendo la energía solar obtenible en el espacio. Algunos señalan que llegar a 70 TW de consumo tendría graves consecuencias en términos de energía disponible para el clima. La fotosíntesis también genera energía libre, pero sin producir calor residual. La idea de que es posible tomar ilimitadas cantidades de energía renovable a partir de nuestro entorno es una fantasía como una máquina de movimiento perpetuo. <<< >>>
(2) La ESFV es intermitente. En un lugar determinado, la radiación solar está disponible durante una parte del día, en condiciones de cielo despejado y dependiente de la estación del año. A cambio, está disponible, en mayor o menor grado, en todo el planeta. La radiación llega a la superficie de la Tierra luego de ser filtrada por los gases atmosféricos (ozono en el UV y oxígeno y agua en el IR). Esto determina mapas de irradiación, donde la zona de la puna andina (NEA) es una de las más favorecidas del planeta, con una energía anual mayor a 3.000 kWh/m2 (consumo anual de un hogar promedio). En líneas generales, de las 12 horas de sol, solo 6-8 hs pueden considerarse que son aprovechadas por la ESFV. La generación depende del ángulo, con un máximo en el cenit. En algunos casos, si el consumo es mayor al atardecer, es conveniente orientar los paneles solares hacia el poniente para tener el máximo de captación en ese horario. La intermitencia (hora del día, días nublados) obliga a adoptar una solución externa (acumulación o fuente alternativa). <<< >>> El eclipse solar del 2017 esculpió una larga sombra que oscureció en California a 5,6 GW de energía solar. Es la tercera parte de los 19 GW en totales instalados, y el 10% de la electricidad del estado. Es una oscilación violenta que puede reducirse si el día es nublado. En el 2017 la energía solar era solo el 1% del total en Estados Unidos, pero las próximas veces será más dramático aún. <<< >>>
(3) La intermitencia obliga al almacenamiento. El almacenamiento de energía eléctrica es caro. En las aplicaciones de autogeneración en zonas aisladas de la red pública (off-grid) es normal el uso de almacenamiento en baterías que tienen una duración limitada (algunos años) y requiere un reciclaje obligatorio. El costo energético y económico que pagar por el uso de almacenamiento se justifica solo si el costo de la fuente es superior al banco de baterías. El uso de baterías es ideal debido a su modularidad, pero existen críticas por el costo ambiental (minerales críticos y químicos contaminantes). En centrales solares grandes se puede implementar el almacenamiento en tanque de sales líquidas (las sales se licuan a alta temperatura) o en represas con hidrobombeo (se bombea agua a una represa cuando hay exceso de generación). <<< >>> En el 2017 las baterías de litio costaban 500 u$s por cada kWh de capacidad. Los ultracondensadores costaban entre 2.500 y 5.000 u$s/kWh, pero son muy rápidos para recargarse (segundos, no horas) y admiten muchos ciclos de descarga. También son más grandes y más pesados; cargan 10 Wh/kg mientras las baterías de Li-ion cargan 120 Wh/kg. El ultracondensador cuesta 5 veces más, pero tiene 10 veces más ciclos de vida con lo que mejora la relación u$s/kWh. Una aplicación potencial es el servicio de autobús que se recarga en un corto tiempo en cada parada. Un ultracondensador podría durar 20 años, pero la velocidad de cambio lo volverá obsoleto por otros más ligeros y de mayor capacidad. <<< >>>
(4) La intermitencia obliga a una fuente de respaldo. Los usuarios finales complementan la autogeneración con la red pública, pero la red pública necesita otras fuentes de energía para llenar las fluctuaciones de la ESFV. Pueden ser la energía eólica (que también es intermitente) o la hidroeléctrica (que sirve como “acumulador”). Son las llamadas “copias de seguridad” porque deben estar disponibles para las eventualidades. Algunos proponen la energía nuclear para acompañar a la solar durante las horas de ausencia. Para llegar a una red única de ESFV se propuso una red mundial de transporte eléctrico a desplegarse durante décadas. De esta forma se pueden aprovechar las mejores zonas del planeta para la generación (desiertos tropicales) en un anillo de 24 horas y la red global para distribuir la energía. <<< >>> El problema de las centrales eléctricas es la inercia para trabajar como respaldo de las fuentes renovables. Por eso, como Alemania y China tienen tantas centrales térmicas a carbón los parques de energía renovables saturan la red y tienen que apagarlos. En China llegaron a apagar las turbinas eólicas durante el 15% del tiempo y en ciertas provincias se desaprovecha el 50% de la energía solar. <<< >>>
(5). La ESFV es difícil de transportar. Los combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas) son fuentes de energía densas (ocupa poco espacio por unidad energética), portátiles (son transportables en tanques), almacenables (por mucho tiempo), fungibles (se consumen con el uso) y transformables (además de electricidad, se puede obtener calor, plásticos, etc.). La ESFV cumple solo en parte con estas características. Algunos dicen que de los 3 ámbitos energéticos (electricidad, climatización y transporte) solo la electricidad es accesible por la energía solar hoy en día. Hablan de “transición eléctrica” en lugar de “transición energética”. La energía eléctrica puede ser acumulable y transportable en baterías o como hidrógeno (para “pilas de combustible”), aunque con costos más elevados. Pero, los combustibles fósiles imponen costos externos derivados de las emisiones de carbono (considerada una externalidad), que se reflejan en los costos del cuidado de la salud, elevación del nivel del mar, etc. <<< >>>
(6). La ESFV solo tiene huella de carbono inicial. Cuando se fabrican los paneles solares se produce una huella de carbono, que por un largo tiempo fue una crítica dolorosa. La razón es que se consumen combustibles fósiles en la minería, fabricación e instalación de los paneles. Para una evaluación numérica se usa la cantidad de carbono liberado por unidad de energía generada. Se estimó que la ESFV libera durante la fabricación 35 kgCO2 por cada MWh de energía eléctrica generada. En tanto, la construcción de una central térmica alimentada con combustible fósil tiene una huella 3 veces menor. Pero, mientras la energía solar entrega electricidad directa y no produce CO2 adicional durante la vida útil, la central térmica emite CO2 extra al quemar el combustible durante la explotación. Por ejemplo, con gas natural se emiten 436 kgCO2/MWh adicionales y con carbón 915 kgCO2/MWh. Por el momento la energía usada para fabricar los paneles solares procede de combustibles fósiles (p.e., del carbón en la industria China). Un informe del 2015 indica que la huella de carbono de los paneles fabricados en China era el doble de los europeos, debido a que usan energía eléctrica derivada del carbón. En un estudio se estimó que la electricidad generada por todas las fuentes ESFV del planeta superó en el 2015 la energía de fabricación de los módulos. Es el punto de cruce donde se libera de la huella de carbono acumulada. Con la tendencia actual, en el 2020 el 10% de la electricidad mundial será producida mediante sistemas ESFV, en tanto la producción e instalación de nuevos ESFV consumiría el 9% de la electricidad mundial. Pero, este valor podrá bajar al 2% debido a la caída de la intensidad energética usada en la fabricación. <<< >>>
(7). La ESFV tiene una tasa energética media. Un indicador numérico importante es la Tasa Energética de Retorno TER. Este indicador compara la cantidad de energía que produce una tecnología con la energía necesaria para construir y mantener el sistema. Por ejemplo, una turbina eólica tiene una TER de 20-80 (genera entre 20 y 80 veces la electricidad necesaria para la fabricación, instalación, mantenimiento y desinstalación). La variabilidad depende de la ubicación geográfica (intensidad del viento). En tanto, la ESFV tiene un TER de 5-20 veces. En los combustibles fósiles los valores van en disminuyendo debido a que los yacimientos son cada vez más difíciles de explotar. En el 2013 se aplicó este concepto a las arenas bituminosas de Alberta (Canadá) y se encontró un valor de 5; en tanto, el petróleo convencional está en 10-20 veces. Un estudio sobre la TER en la producción de hidrógeno desde celdas ESFV con conversor electroquímico, tiene una eficiencia de conversión muy baja (5%) y requiere 5 años de trabajo para volverse TER positivo. La TER de la ESFV puede mejorarse con instalaciones en zonas de alta irradiación solar y con tecnologías de alta eficiencia. <<< >>>
(8). La ESFV tiene una huella hídrica reducida. Durante la fabricación de los paneles solares se consume agua para refrigeración, procesos químicos y control de contaminación del aire. Un desperdicio mayor de agua ocurre durante la limpieza en la instalación y el mantenimiento de los paneles (quitar el polvo que reduce la eficiencia). Por ejemplo, un proyecto de 250-500 MW de potencia requiere hasta 1,5 millones de litros de agua para controlar el polvo durante la construcción y otros 26 millones de litros anuales para el lavado durante la operación. Sin embargo, este valor es solo una fracción del agua usada para refrigeración en las plantas termoeléctricas con combustibles fósiles. <<< >>>
(9). La ESFV requiere materiales críticos y tóxicos. El material base es el cuarzo (dióxido de silicio) se extrae de las minas y se refina para obtener silicio. Los hornos eléctricos de refinación se calientan a 1650 °C y se usa ácido clorhídrico. Se forman lingotes, se cortan en obleas y se introducen impurezas para generar el efecto fotoeléctrico (absorción de radiación solar y generación de corriente eléctrica). Entre otros compuestos químicos, se usa ácido fluorhídrico para limpiar las obleas. Existieron denuncias (2011) en China por descontrol en el manejo de contaminantes que llevaron a establecer normas para reciclar el 98,5% de los residuos. En 2015 cerca del 50% de los paneles se fabricaban en China, lo que ponía en dudas la protección del ambiente y los trabajadores. La industria debe encontrar la forma de reemplazar los compuestos peligrosos para demostrar la sustentabilidad social y ambiental. <<< >>> En un tipo de celdas de película delgada se usan compuestos de cadmio, un metal pesado que es carcinógeno y que puede causar mutaciones heredables. Cada vez más, la tecnología busca celdas de película delgada que se basan en materiales abundantes (cobre, zinc, estaño y carbono). La ESFV podrá reducir y anular la huella de carbono de fabricación cuando produzca la energía necesaria para fabricarlas, pero persistirá la huella de carbono ligada a la minería. La SVTC (Silicon Valley Toxics Coalition) evalúa el impacto ambiental de los fabricantes de alta tecnología por una serie de criterios ambientales y de seguridad laboral. Se basa en datos de percepción subjetiva tales como emisiones, toxicidad química, el uso del agua y el reciclaje. <<< >>> La revolución de la energía verde es demandante de materiales críticos. Por ejemplo, para turbinas de viento o motores de autos eléctricos se requieren las propiedades magnéticas de neodimio o disprosio, y en celdas solares el Indio. Se evaluaron 14 elementos de importancia específica para las energías renovables. De ellos 6 están en riesgo “crítico” de interrupción del suministro para el año 2020 (Indio y “tierras raras” como europio, neodimio, terbio, disprosio e itrio). Estos materiales se obtienen de los desechos de la minería de aluminio, zinc y cobre. Por ejemplo, la minería de cobre produce telurio a un valor artificialmente barato y debería tener un valor más alto que el oro. <<< >>> La demanda mundial de metales de tierras raras es unos 200 kt/año en 2017. Cada megavatio de electricidad eólica necesita 200 kg de neodimio y su demanda podría crecer 7 veces en los próximos 25 años. Pero el disprosio podría aumentar 26 veces. China suministra el 97% la demanda mundial de tierras raras y desde 2005 restringe las exportaciones. El 99% del disprosio proviene de depósitos de arcilla en Jiangxi. El refinamiento de una tonelada de metales de tierras raras genera 75 m3 de aguas residuales ácidas y una tonelada de residuos radiactivos. Una fuga de aguas residuales radiactivas en 1998 fue el desencadenante del cierre de la mina en Molycorp en 2002 (Estados Unidos). Las nuevas minas son más pobres y necesita más energía para extraer la misma cantidad de metal. <<< >>>
(10). Los paneles deben reciclarse al fin de la vida útil. En 2006, General Electric identificó una crisis vecina en la provisión de Renio y promovió un plan de reciclaje para recuperar el elemento de viejas turbinas de avión. Sin embargo, para el 2015 menos del 1% de estos materiales tecnológicamente críticos termina siendo reciclado. En Europa, la industria de celdas solares estableció un sistema de recuperación y reciclado de paneles. Se puede recuperar hasta el 95% de ciertos materiales semiconductores y el vidrio, así como metales ferrosos y no ferrosos. La mayoría de los fabricantes trabajan con celdas de silicio cristalino que casi no contienen metales pesados y las soldaduras apenas usan plomo. En tanto, las celdas de telururo de cadmio, son de bajo costo, pero contienen cadmio, que es tóxico y debe ser procesado con cuidado. El fabricante (Firstsolar) asegura que es inofensivo en el compuesto empleado. Desde 2010 una conferencia europea reúne a productores, recicladores e investigadores para debatir el futuro del reciclaje de los módulos fotovoltaicos. La legislación obliga al fabricante al reciclado, pero el proceso sufre el problema “del huevo y la gallina”. No hay suficientes sitios para reciclar viejos paneles solares, y no hay suficientes paneles solares para que el reciclaje sea atractivo. <<< >>>
(11). Los paneles solares tienen bajo rendimiento. El rendimiento es el porcentaje de energía solar incidente en el panel que se convierte en eléctrica. Este valor está entre 15 al 25% (máximo tecnológico en 40%). Otros factores externos reducen este valor, como ser las sombras de los árboles; la suciedad del módulo (polvo u hollín) y las heces de las aves. Los estudios muestran una pérdida de energía anual del 5% cuando no se hace una limpieza periódica. Existen problemas derivados de animales: insectos que hacen nidos; estiércol y nidos de las aves; roedores que pueden morder los cables. También están las hierbas que pueden tapar la parte baja de los módulos (en algunos casos se usan ovejas para comer el pasto). Hay causas internas al sistema que afectan al rendimiento: el calentamiento de la electrónica; una baja de la eficiencia del inversor; la caída de tensión del cableado; y el desajuste de los módulos. Una cámara de infrarrojos puede ser útil para detectar las zonas de pérdidas, ya que el calor generado por una celda dañada se mostrará como puntos brillantes. Menor rendimiento significa que se requiere más superficie para generar la misma energía eléctrica. <<< >>>
(12). Los paneles tienen envejecimiento mecánico. ¿Cuánto tiempo dura un panel solar? La mayoría de los fabricantes garantizan una vida útil de hasta 25 años. Los ensayos en fábrica implican la exposición a altas temperaturas y cargas mecánicas, lo que predice la solidez de una muestra nueva respecto a cargas extremas a corto plazo. Por el contrario, los efectos relacionados con la edad aparecen a largo plazo (la fatiga del material). Es necesario conocer más sobre los efectos de las cargas de nieve, fluctuaciones de temperatura, y ráfagas de viento que producen tensiones mecánicas y alargamiento. La muerte de una celda dentro de un panel o de un panel dentro de un parque, afecta al conjunto y la acumulación del problema puede llevar a la paralización completa del servicio. Se encontró que cuanto mayor sea la temperatura, más pronunciadas son las oscilaciones del panel. La frecuencia de resonancia aumenta con la vejez debido a que los materiales plásticos se vuelven rígidos y frágiles debido a la radiación ultravioleta UV. Solo el paso del tiempo permitirá tener información estadística fiable sobre el tiempo de vida. <<< >>>
(13). El cambio en el uso de la tierra. Hay quienes señalaron que la expansión de la ESFV en grandes parques puede complicar los esfuerzos para preservar el hábitat silvestre. Para determinar la magnitud del cambio de uso de la tierra, un estudio analizó 4 escenarios para el año 2040: (1) un escenario sin cambios al actual (business-as-usual); (2) uno con aumento de combustibles fósiles (gas natural) motivado por las técnicas no-convencionales (p.e., fracking en Vaca Muerta); (3) un recorte en el uso de combustibles fósiles y (4) un año 2040 solo con energías renovables. Se evaluó la cantidad de espacio requerido en cada caso (incluyendo infraestructura, carreteras, y líneas de transmisión). Se fijó una unidad en común: km2/TWh (kilómetros cuadrados necesarios para generar un TeraWatt.hora de energía). El valor de energía global requerido en el 2040 será cercano a los 250.000 TWh como suma de todos los tipos de energías. La opción (4) entregó el mayor valor de superficie requerida: 250.000 km2 para alimentar a todo el planeta (algo menos a la Provincia de Buenos Aires), como suma de las áreas destinadas a parques solares y eólicos. Si bien es el mayor, se trata de un cambio de uso de la tierra que es eterno; en el mismo lugar se renovarán los equipos, pero la superficie se mantendrá. La opción siguiente fue la (3) con 200.000 km2 y la (1) con 190.000 km2. La opción (2) es la que menos ocuparía, con 175.000 km2. Pero, pasado el 2040 se requieren nuevas superficies cuando se acaben las reservas de combustibles fósiles en los lugares explotados; por lo que a largo plazo es la peor opción. La opción (4) puede generar más energía en el futuro en la misma superficie, en la medida que se hace un upgrade de tecnología con más rendimiento. <<< >>> La energía eólica puede compartir el uso de la tierra con la agricultura, pero la ESFV, no. Sin embargo, pueden usarse terrenos degradados o de muy baja calidad en cualquier lugar, cosa que no ocurre en la energía eólica. La eólica puede aprovechar las costas de mar en Patagonia, pero se necesita la red de transporte eléctrica. Muchas comunidades agrícolas de Europa, donde la tierra escasea, se han negado a la implantación de grandes granjas solares. En otros lugares, donde el valor paisajístico es destacable se quejan de las instalaciones eólicas. <<< >>> Si bien parece que hay una disponibilidad casi infinita de energía solar para abastecerse, no hay infinito espacio para ocupar con paneles solares (se requiere toda la Argentina cubierta de paneles solares para bastecer la energía de toda la humanidad) y, de hacerlo, las consecuencias en el ecosistema serían gravísimas (ver “competencia en el uso del suelo”). <<< >>> Para energía solar se deben preferir áreas no convencionales: (1) áreas desarrolladas (techos, corredores de transporte y estacionamientos); (2) tierra no apta para cultivos, sea por sales naturales o acumulación de actividad humana; (3) áreas recuperadas antes contaminadas con químicos peligrosos; y (4) embalses y canales de riego que pueden acomodar paneles solares flotantes. <<< >>>
(14). La competencia con la vida silvestre. En California, donde se proyectaron incontables parques solares, se estudiaron 161 proyectos y se aplicó un mismo algoritmo para determinar el grado de compatibilidad con el ambiente. Primero se clasificó la zona en 10 categorías (desarrollada, estéril, agricultura, hábitats salvajes, etc.); se analizó la tecnología (fotovoltaica o de concentración térmica) y la proximidad a infraestructura existente o tierras protegidas. Se encontró que solo el 15% estaban en zonas compatibles. La gran mayoría fueron diseñados en zona de matorral o monte bajo, que son puntos calientes de biodiversidad (hotspot). La segunda área más común eran las tierras agrícolas, por lo que compiten con los alimentos. El estudio concluyó en una falta de pensamiento holístico en los proyectos solares. El estudio priorizaba las zonas ya desarrolladas o alteradas, frente a las naturales o aquellas que perturban los recursos de agua. La amplia mayoría se encontraban a menos de 10 km de zonas protegidas (demasiado cerca se considera que puede tener efectos nocivos). Se concluyó que es preferible el desarrollo de ESFV a gran escala en los techos de galpones y fábricas ya que no perturba el hábitat y no sustituyen tierras de cultivo. Además, están cerca de infraestructura eléctrica disponible. Otra buena opción es construir en tierras degradadas o contaminadas sin capacidad de recuperación. <<< >>> En un proyecto de energía solar en el desierto de Mojave (California) se reubicaron 570 Tortugas del Desierto (Gopherus agassizii). Unos 4 años más tarde las pruebas genéticas de paternidad de 92 neonatos revelan que los machos se reproducen a un ritmo mucho más bajo que los machos residentes. El traslado fue de 184 tortugas hembras, 293 machos y 93 juveniles a un hábitat desértico cercano que ya tenía tortugas. Se pusieron radiotransmisores para rastrear los efectos sobre ambas poblaciones. A diferencia de los machos, las hembras se reprodujeron con éxito al mismo ritmo que las hembras residentes. El escaso éxito de los machos traslocados podría deberse a un mayor consumo de energía para adaptarse o a que son excluidos en competencia con los residentes. <<< >>> Una consecuencia imprevista ocurrió en uno de los grandes parques solares donde se encontró que los patos chocaban con los paneles fotovoltaicos. Se presume que el reflejo del cielo los lleva a confundirlos con lagunas. <<< >>>
(15). La ESFV puede afectar el clima. La energía solar puede afectar al clima porque los paneles solares alteran la reflectividad o albedo del terreno. Una planta de energía solar de 1 TW en el desierto de Mojave (California) coloca paneles solares oscuras sobre la arena de color claro, lo que calentará el aire 0,4 °C. Esto puede afectar los patrones de temperatura y viento en un radio de 300 km. Pero también pueden tener un efecto de enfriamiento local si se colocan sobre superficies oscuras (techos negros). Este tipo de efecto es bastante bien conocido. Por ejemplo, los invernaderos con techo reflectantes en el sudeste de España produjeron una caída de temperatura del aire de 0,6 °C desde 1983. <<< >>> Los paneles solares afectan al clima y el clima a los paneles solares. El polvo y otros aerosoles en el aire absorben la radiación solar y reducen la energía generada. Por ejemplo, se midieron reducciones del 17 al 25% en zonas de la India (por uso de carbón), en China (por contaminación industrial) y la Península Arábiga (por contaminación natural desde el viento en los desiertos). Si las partículas se posan en los paneles solares reducen el área expuesta al sol. Se calculó que China pierde 11 GW de capacidad por la contaminación. La limpieza de paneles solares puede ayudar, pero limpiar el aire será a largo plazo. <<< >>> Otro aspecto relacionado es el agregado de calor a la atmósfera. La energía que proviene de combustibles fósiles no solo emite gases efecto invernadero (subproducto del proceso de combustión), sino que el trabajo realizado se transforma en calor (p.e., fricción de los neumáticos en el suelo) que se disipa en la atmósfera. En el caso de la energía solar no existe liberación adicional de calor, salvo por el cambio del albedo, que podría jugar a favor si se hace un diseño correcto. El calor que produce la radiación solar al calentar el techo de una casa es el mismo que produce la electricidad que genera la ESFV que lo cubre. Desde este punto de vista, aunque la energía de fusión nuclear (la unión de hidrógenos para obtener helio, en desarrollo desde hace décadas) permite producir energía infinita, no se podrá generar en forma indiscriminada porque se transforma en calor adicional agregado a la atmósfera.
(16). Los paneles refrigeran los techos. El uso de imágenes térmicas permitió determinar que durante el día el techo de un edificio estuvo 3 °C más frío debajo de paneles solares que con el techo expuesto. Por la noche, los paneles ayudan a mantener el calor y reducir la calefacción. Se calculó que el ahorro en climatización durante la vida útil equivalía al 5% del valor del proyecto solar. El beneficio aumenta si existe una separación por donde circula el aire para refrigerar el techo, por lo que los paneles inclinados proporcionan más refrigeración que los colocados directamente sobre el techo. Durante los días de invierno, los paneles impiden que el sol llegue al techo, lo cual entorpece la climatización interior. Pero, también impiden la pérdida de calor durante la noche. Este efecto de los paneles solares sobre la climatización requiere estudios más detallados en cuanto hace al ahorro y la forma de ensamblarlo a los techos verdes. <<< >>> La eficiencia de un panel fotovoltaico se mide en condiciones de prueba estándar, a 25 °C. Si la temperatura aumenta disminuye el rendimiento. Se comparó 3 tipos de techo: reflexivo (blanco), convencional (negro) y vegetado (verde). Se encontró que los techos blancos disminuyen la eficiencia debido al calor que reflejaban hacia los paneles. Los paneles instalados sobre el techo verde funcionaron mejor, generando un promedio de 1,4% más energía. <<< >>>
(17). La autogeneración requiere una inversión inicial elevada. Entre el 2001 y 2012 la producción de celdas solares se duplicó cada 2 años. Si la tendencia pudiera continuar llegaría al 100% en el 2027. Imposible. En tanto, el coste de las celdas de silicio cristalino descendió desde 76 u$s/Watt en 1977 a 0,74 en 2013 (100 veces menos en 35 años). Se estima que los precios descienden un 20% cuando se duplica la capacidad de la industria (es la “Ley de Moore”). Pero, el requerimiento de baterías puede ser una objeción desde el punto de vista ambiental y económico, ya que necesitan reciclarse cada 5 años. Cuando la instalación se realiza en una casa particular (la autogeneración), el costo inicial debe incluir instalación mecánica. En Argentina se puede estimar en 4 dólares por watt el costo total de equipos e instalación de celdas, baterías y electrónica (dato del 2016). El costo final depende de otras variables: necesidad total de energía; artefactos instalados; disponibilidad de alternativas convencionales. Puede estimarse que la mitad de los costos actuales evolucionan a la baja o a la mejora en eficiencia. <<< >>>
(18). Los techos generan una energía limitada. Los sistemas de autoconsumo en los techos de las casas no consumen tierra. Pero, como la eficiencia de las celdas solares es baja, la capacidad de generar energía no es suficiente para un hogar. En promedio, se requieren 8-12 m2 por cada kW de potencia. Este valor depende de la zona de instalación, la orientación, los obstáculos y de la eficiencia de las celdas. Por ejemplo, el techo de una casa podría disponer de 30 m2 para generar energía; lo que equivale a 3 kW de potencia. Con un valor promedio diario de 3 horas de irradiación (horas de luz, inclinación solar, días sin sol), entregaría 300 kWh/mes promedio. Suficiente para un hogar sin aire acondicionado y con responsabilidad en el consumo. La climatización del hogar debe encararse con otras alternativas (desde una red externa). <<< >>>
(19). Existe un “riesgo tecnológico”. La evolución tecnológica es un riesgo para cualquier implementación que espera vivir 25 años. Un sistema mejor y más barato está por salir el año próximo, cualquiera sea el año. Es imposible trasladar la experiencia en computadoras a este mercado, ya que el recambio tecnológico en electrónica de consumo de 2-3 años, pero en bienes durables es de 25 años. Esta barrera de “esperar la próxima generación” solo se supera con la decisión de actuar en beneficio del ambiente. Si solo se observa el aspecto económico se encontrarán argumentos para esperar. Este aspecto se enlaza con la excusa negacionista: “no actuaré solo, solo actuaré si otros actúan, actuaré solo si todos actúan”. <<< >>>
(20). La sustentabilidad social. El empleo que genera la ESFV se divide en 2 etapas: investigación-fabricación, e instalación-mantenimiento. Por ejemplo, un parque eólico marino requiere 0,23 empleos-año por cada GWh generado. Un central térmica (carbón o gas natural) tienen requiere 0,11 y una central nuclear 0,14 empleo-año/GWh. La ESFV de autoconsumo (en los techos de las casas) requiere 1,42 unidades de empleo por unidad de energía, usa 10 veces más mano de obra que el resto. A cambio, reduce las exigencias sobre una red eléctrica de distribución durante el mantenimiento del servicio. Desde el punto de vista social, la ESFV genera una sustentabilidad laboral distribuida en el territorio y no concentrada (“inversión local-trabajo local”). En Inglaterra se empleó a 14.000 personas en 2013, lo que equivalía a 20 puestos de trabajo por cada MWh instalado. En Estados Unidos la necesidad de empleo fue más del doble que cualquier otra fuente de energía renovable. La ESFV puede ayudar al crecimiento de las economías locales, generar puestos de trabajo locales y aumentar el gasto local. También, puede proporcionar un baluarte contra la pobreza energética mediante actividades en cooperativas eléctricas e instalaciones para vivienda social. Puede verse como una fuerza democratizadora en el sistema de suministro de energía. <<< >>> En Estados Unidos en 2016 el sector de la energía solar empleó el doble de trabajadores que la generación mediante combustibles fósiles. Fueron unos 374.000 trabajadores, es decir, el 43% del total en la generación de energía. Los principales trabajos en generación fósil es la extracción minera. La minería de carbón alcanzó su máximo de empleo de 2012 y la extracción de petróleo y gas en 2014. Hoy día ambos están en decadencia. La energía solar está generando el doble de empleos por dólar invertido. Además, los puestos de trabajo son locales y bien pagos. < -------- >
(21). La ESFV puede tener llegar a un máximo. Puede existir un límite económico al crecimiento de la ESFV. Como tiene un momento preciso de generación, cuanto más se inyecta a la red, menos vale la energía. La energía solar compite con sí misma, bajando el precio que las empresas energéticas están dispuestas a pagar a los generadores en la hora pico. Una solución es el uso de almacenamiento (público o privado) para reducir el pico de consumo nocturno. Solo una red mundial que genere las 24 hs del día puede dar a la ESFV la posibilidad de llegar a satisfacer el 100% de la demanda. <<< >>> El 21 de abril de 2017 el Reino Unido pasó un día entero sin usar carbón para generar electricidad, el primer día en 135 años. El domingo 8 de mayo de 2016 en Alemania la suma de energías renovables (54.6 GW) llegó al 80% del consumo (68.4 GW). Como resultado el precio de la energía se desplomó y fue negativo, tocando fondo a las 13 hs. Los proveedores de energía llegaron a pagar para que los consumidores tomaran energía desde una red fuera de control. La razón de este precio negativo se debió en parte a la falta de flexibilidad en el sistema. Algunas fuentes renovables se pueden desconectar de la red, pero las nucleares y plantas a carbón no se pueden apagar rápidamente, siendo preferible perder la energía que apagar y reiniciar los generadores. En Dinamarca los picos de energía eólica en julio del 2015 llegaron al 140% de las necesidades de la nación nórdica. En Noruega se acumulará el exceso de generación renovable de Alemania y Dinamarca en las represas hidroeléctricas: se cargan durante las horas de sol y se descargan en la noche. Entonces, la red de transporte es bidireccional. <<< >>> La industria solar de Chile se expandió tan rápido en el norte ligado a la minería que el valor de la energía generada llegó a cero durante 192 días del año 2015. La causa es el estancamiento en la producción de cobre. El problema es que las centrales solares estaban en el norte árido y carecían de líneas de transmisión para llevar la energía eléctrica hasta el centro y sur del país. La red está dividida en dos (central y norte) y con una capacidad de transmisión inadecuada. <<< >>> En el primer semestre del 2016, China añadió 30 GW de instalaciones solares motivadas por subvenciones del gobierno que finalizaron el 1 de julio. En total se llegó a 63 GW de generación solar. A partir de esa fecha el gobierno empezó a regular el crecimiento descontrolado. Al mismo tiempo, siguen los proyectos eólicos, nucleares e hidroeléctricos, con un crecimiento estancado del consumo. Otro problema es que gran parte de la nueva energía solar proviene de zonas desérticas al oeste de China, que ni siquiera está conectada a la red de suministro. Eso significa que se derrocha el 39% de la producción en la provincia de Gansu, y más de la mitad en Xinjiang. Esto forma parte del exceso de oferta a largo plazo que también afecta a industrias como la del carbón, el acero y el hormigón en China. Existe una tendencia china a invertir de forma desmedida, lo que provoca un exceso de capacidad. <<< >>>
(22). La ESFV puede acelerar la demanda de energía. La instalación de sistema domiciliarios puede generar energía “gratis” y esto llevar a un aumento del consumo. Es la “Paradoja de Jevons” (1865), que dice que toda mejora en la generación de energía impulsa a las formas de consumirla. El aumento de generación de energía limpia no debe hacer olvidar que el objetivo final es reducir el consumo. Si deseamos reducir la huella energética no basta con reemplazar los combustibles fósiles, debe reducirse el consumo global de energía, aun la limpia. Cualquier estrategia de conservación de energía es mejor que el desarrollo de energía renovable adicionales. La ESFV es tolerada porque se compara con las energías fósiles, pero no debe soslayarse el “lado oscuro” de esta tecnología. La ESFV necesita tiempo para llegar a un estado de energía (realmente) verde. Pero la ESFV de autogeneración puede ser la única alternativa para el despliegue de los automóviles eléctricos, donde las actuales redes de energía locales están saturadas y las inversiones se hacen en cámara lenta. <<< >>> Un estudio del consumo eléctrico en 1.800 departamentos entre 2006-2015 en Suecia analizó la conducta antes y después de colocar medidores individuales. Se concluyeron 4 resultados. (1) El consumo de electricidad se redujo 25% cuando se pasó a consumo individual. Este cálculo incluye espacios comunes (escaleras, alumbrado, etc.) donde los residentes no pueden influir. Midiendo solo el apartamento se redujo en 36%. (2) El consumo declinó tan pronto como se instalaron los medidores. El uso cayó un 22% de inmediato y en los próximos años cayó en forma menos pronunciada. (3) En invierno el uso de electricidad disminuye, justo cuando se tiene un pico de uso y coste de generación. (4) El 20% de los usuarios utiliza mucha más electricidad que los otros cuando no tienen que pagar en forma directa. Pero cuando debieron pagar su propio consumo lo redujeron al mismo nivel del resto. Conclusión: energía solar gratuita significará el aumento del consumo. <<< >>>
(23). La convivencia de la autogeneración y la red pública. Donde está disponible, el programa de “medición neta de energía” permite a los propietarios de paneles solares recibir un dinero por el exceso de energía que producen y vuelcan a la red. Una casa consume energía de la red por la noche y la compensa en parte durante el día. La conexión desde el hogar a la red requiere medidas de seguridad especiales ya que cada hogar conectado se convierte en un generador de 220 Volt y que alimenta a los vecinos. Además, la corriente alterna AC debe tener una frecuencia y fase igual a la red de distribución. En Argentina, la provincia de Santa Fe fue primera en legislar el sistema distribuido de energía renovable (2013) y a nivel nacional fue en el 2017. La firma de servicios financieros Barclays rebajó la calificación de todo el sector de la electricidad de Estados Unidos en 2014, en parte por la competencia de la energía solar distribuida y almacenamiento en baterías. Sin embargo, la reducción de ingresos de las empresas eléctricas no las libra de la responsabilidad de mantener la red de distribución, lo cual es un grave problema que resolver. <<< >>> La red de distribución de energía está dimensionada suponiendo que los usuarios tienen diferentes patrones de uso. Esto lleva a un equilibrio con variaciones de carga más suaves. Pero los productores de autoconsumo entregan a la red su producción en forma simultánea, sin atender a las consecuencias de la sobrecarga. Esta inequidad lleva a que los hogares sin autogeneración deberán pagar un precio de electricidad más alto. Se tendrá una subvención indirecta del consumidor normal para aquellos con paneles solares. Es la paradoja donde el “héroe” que primero pone paneles solares para autogeneración, se convierte en el “villano” que usa de la propiedad comunal (red de distribución). Los clientes con paneles solares en los techos compran menos energía, pero quieren mantener la seguridad de disponer de ella. Esto obliga a una adecuación de la ecuación energética. Con menos kWh vendidos, las empresas eléctricas tienen dificultades para invertir en centrales y redes inteligentes. A cambio de una concesión monopólica geográfica, la empresa de distribución eléctrica es responsable de garantizar la fiabilidad de la transmisión y distribución. Con la energía solar en la azotea, los patrones diarios de suministro y demanda cambian. La reducción de la demanda de electricidad sería buena porque los costos se reducirían y el estrés en la red disminuiría. Pero una profunda caída en demanda en los momentos de mayor sol obliga a tener plantas de energía que se ajusten por horario o al almacenamiento de energía. Un problema similar ocurre en la telefonía con el abandono de la línea fija (cable) por el celular (inalámbrica). En este caso la empresa telefónica debe mantener la red de cables con una reducción significativa de usuarios y de tráfico. Mientras en telefonía las redes podrían ser abandonadas, en el caso de la electricidad es imposible por la confiabilidad. Se convierte en una “círculo vicioso”, donde el usuario que genera su propia electricidad carga los costos sobre los usuarios conectados a la red, quienes se ven incentivados a desconectarse. <<< >>> Se buscan restricciones a la venta del excedente de electricidad o a los precios que se pagan por ella. En Arizona se propuso una tarifa fija por una conexión a la red para quienes generan energía fotovoltaica. La ciudad de Flandes (Bélgica) a cobrar a los productores de energía solar en lugar de pagar. En Alemania se impuso un límite a la cantidad de electricidad que se puede inyectar a la red. Por el momento el almacenamiento no tiene incentivos económicos. <<< >>>
(24). La ESFV obliga a una red de distribución inteligente. Las empresas de servicios públicos (Public-Utility) son empresas que mantienen la infraestructura a cambio de la exclusividad. Están sujetas a regulación y control público. Se refiere a electricidad, gas, agua potable, etc. Las empresas de electricidad estarán obligadas a implementar una nueva “red inteligente” (Smart-Grid) de forma de absorber a los usuarios que generan energía. La red inteligente es una forma de reducir la necesidad de almacenar energía. En lugar de ajustar el suministro a la demanda, una red inteligente ajustaría la demanda para mantenerla casi constante. Los usuarios generadores obligan a pensar en una red con flujo de energía bidireccional, una topología flexible y el almacenamiento distribuido. Las estrategias de red inteligentes no están aún cerradas. Por ejemplo: (1) se pueden segmentar consumidores en sectores autónomos; (2) incorporar informática descentralizada para administrar la carga de cada sector; (3) comunicar de cada consumidor con la red para hacer ajustes anticipados; (4) incorporar unidades de almacenamiento para estabilizar la generación y demanda; (5) cambar la configuración de la red en forma autónoma; (6) usar políticas tarifarias que nivelen el consumo de energía eléctrica. Para algunos, estas acciones generan preocupaciones sobre la privacidad y el uso de la información sobre el consumo de un hogar; sobre la disponibilidad equitativa de la electricidad; el uso de tasas variables complejas inentendibles para el usuario; la incorporación de tecnología para el control a distancia de los medidores inteligentes; problemas de seguridad contra ataques cibernéticos; etc. La industria piensa en redes eléctricas con capacidad para comunicarse entre todos los puntos (como en Internet); el uso de predicción del tiempo (nublado, vientos) para anticipar quien requerirá energía y quien podrá entregarla. Las empresas eléctricas deben invertir en sistemas inteligentes y elevarán el costo de la energía al usuario final, quienes culparán a las empresas, aumentando el deseo de autoalimentarse (hace años que ocurre en Alemania). Un problema importante es que las redes son muy inerciales, las innovaciones aparecerán solo en las nuevas inversiones con décadas de retraso. <<< >>> En el sistema de distribución, los transformadores toman voltajes medios (primarios) de miles de Volt y los convierten en voltajes secundarios de 220 V. Este enfoque es previo a que la corriente alterna ganara la guerra con la corriente continua en 1892. Es difícil encontrar otra electrotecnología que haya sobrevivido tanto tiempo. Pero, los transformadores son voluminosos; se enfrían con aceite (puede tener fugas y es difícil de eliminar); son herramientas pasivas; son unidireccionales; no se ajustan a las cargas. Para energías renovables se proponen “transformadores de estado sólido” que requiere electrónica de potencia para tener las características de pequeños, inteligentes, bidireccionales, de carga variable, modulares y eficientes. <<< >>>
(25). La ESFV facilita la generación de microredes. La grilla eléctrica actual se desarrolló sobre fuentes cuya producción varía poco día a día. Una de las tendencias para la grilla solar es el uso de microredes que pueden funcionar en forma aislada y pueden aislarse de la red pública cuando hay inestabilidades. Por ejemplo, un apagón en Texas en 2008 afectó en forma generalizada, pero el 95% de los cortes fueron causados por daños al 5% de la red. En este ejemplo, la grilla generalizó un daño modesto en los equipos. En 2013 un francotirador causo un daño a una subestación de Silicon Valley que duró 27 días. En 2016 la piratería informática causó una interrupción en cascada en Ucrania. A largo plazo es muy posible que la grilla evolucione hacia una serie de microrredes contiguas. <<< >>> Una casa equipada con paneles solares puede generar 4-5 kW en las horas del mediodía de un día soleado en verano. Cuando inyecta el sobrante a la red está usando la red como almacenamiento. Una batería para el hogar de Tesla (2016) tenía un valor de 5.500 dólares para acumular 14 kWh (3 días de carga). La energía solar no puede reemplazar toda la generación eléctrica porque la red de transporte está diseñada para una fuente estable de generación. Una solución es la microred, un grupo de fuentes y usuarios conectados que puede ser tan pequeño como una casa individual (nanogrid). Las microrredes pueden operar libremente por sí mismos y se pueden aislar de la red más grande si una perturbación la desestabiliza. La capacidad de aislamiento promete una mayor seguridad cibernética, debido a las intrusiones están localizadas y es un objetivo menos atractivo para los hackers. Las microrredes contiguas compartirían parte de los costos para maximizar la disponibilidad. <<< >>> El concepto de microredes tiene a que, en lugar de entregar energía a la red, la compartan. En una era de microrredes operados de forma privada, ¿qué será de la empresa de servicios públicos? Se podría suministrar energía a las microrredes que lo necesitan, o podrían gestionar microrredes y sus conexiones a la red mayor. En Estados Unidos se estimó un crecimiento de la demanda de electricidad de 0,9% por año para las próximas décadas. Con tan poco crecimiento, las empresas eléctricas no pueden esperar financiarse con el aumento de las ventas. Estas empresas están acostumbradas a usar componentes que duran mucho tiempo, pero las redes inteligentes dependen de componentes electrónicos con vidas más cortas y actualizaciones frecuentes. Otra incógnita es la rapidez de adaptación del proceso de regulaciones. Si los gobiernos tratan de apuntalar las tecnologías obsoletas con subsidios podría alargar el proceso de migración. <<< >>>
(26). La ESFV facilita el intercambio energético. La plataforma holandesa Vandebron tenía en el 2015 más de 38.000 suscriptores. Los consumidores pagan una cuota mensual para poder contratar directamente a los proveedores de energías limpias por una cantidad fija durante un período determinado. Los consumidores pueden elegir su proveedor energético y los productores pueden fijar sus propios precios. La plataforma británica Open Utility conecta consumidores (solo comerciales) con productores. La plataforma norteamericana Yeloha hace lo mismo otorgando créditos a los generadores de energía renovable a la red eléctrica. La plataforma alemana Sonnenbatterie permite comprar y vender energía que se incorpora a un sistema de almacenaje energético. Cuando los suscriptores generen más energía de la que pueden gastar el software la incorporará a la reserva de energía disponible. Los consumidores pagan menos que a las empresas de electricidad, pero más que la tarifa de inyección. Sonnenbatterie utiliza un precio fijo, pero otras plataformas permiten negociar el precio. Los sistemas basados en la oferta y demanda podrían evitar los problemas del balance neto. <<< >>> Varias empresas desarrollan programas para conectar mediante software las casas con techos solares y así formar una central energética unificada virtual. Una red distribuida de activos energéticos pero que funcionan y actúan como un recurso unificado dentro de la red de energía. El intento es convertir las estaciones solares independientes en una fuente flexible de energía. <<< >>>
(27). Permite la independencia energética individual. A pesar del esfuerzo, las renovables suministran solo el 8% de la electricidad mundial, y el 3% del consumo total de energía. Incluso contando la energía hidráulica y nuclear dentro de las renovables el valor trepa solo al 14%, el resto proviene de combustibles fósiles. Este porcentaje apenas cambió en 25 años. <<< >>> Pero, algunos países están a la vanguardia. Alemania poseía 183 GW de potencia instalada en el 2015 y los objetivos de la Energywende indican que la energía eléctrica debe ser cubierta en un 40-45% mediante energía renovable en el 2025. En paralelo, se propone reducir el consumo en 10% en el 2020 respecto del 2008. Estos objetivos solo pueden materializarse gracias a millones de actores que generan y demandan en forma reversibles. Es la Bürger-energie (ciudadanía energética). En el 2012 en Alemania los puntos de generación de energía eran 1,3 millones (hogares y pequeñas cooperativas) con un total del 22% de la energía eléctrica del país. Tenía 33 GW de ESFV y un domingo de sol llegaban a generar el 60% del consumo. Un techo no genera mucha energía, pero ¿Qué pasa cuando son millones? <<< >>> En Alemania, pequeños poblados decidieron separarse de la red eléctrica y autogenerar su energía mediante aportes solares, eólicos y de biomasa agrícola. Para algunos, los sistemas de microrredes solares aisladas de la red (off-grid) pueden ser una mala estrategia en el subdesarrollo. Un estudio sobre el programa de electrificación rural de la India exploró el verdadero impacto de la electricidad. Se evaluó la trayectoria de 21.059 aldeas entre 2001 y 2011. Se verificó el aumento de los niveles de electrificación mediante la iluminación nocturna con imágenes de satélite. Las aldeas con 300-450 residentes se iluminaron de manera significativa, mientras que los pueblos de 150-300 residentes no lo hicieron. Los economistas utilizan rutinariamente el brillo de la noche como un indicador de la actividad económica. Se registraron los impactos de electrificación en cinco grandes áreas: la demografía, la situación laboral, la propiedad de los activos (teléfonos y bicicletas), la matrícula escolar, y mejoras a nivel de aldea (nueva oficina de correos o cobertura de telefonía móvil). El cambio fue pequeño: 1 por cada 300 personas se trasladó fuera del trabajo agrícola y por lo tanto pudo haber mejorado su potencial de ingresos. Se observó que mejoró el bienestar general (TV satelital), pero no afectó la forma en que generaban ingresos. Son más felices, pero no cambia la economía. En cambio, en Sudáfrica, un estudio similar mostró que la electrificación es un importante refuerzo del desarrollo. Por ejemplo, el empleo femenino libera de las mujeres de la producción en el hogar y permitió las microempresas. La autoridad de electrificación rural de Kenia ofrece conexiones a la red con diferentes tipos de subvención y encontraron que los beneficios eran menores que los costos, lo que llevó a la conclusión sorprendente de que “la electrificación de viviendas puede reducir el bienestar social”. Se ha expresado la preocupación de que los programas de electrificación rural pueden desviar fondos limitados, lo que favorece la electricidad para los hogares a través de asegurar fuentes de alimentación fiables para escuelas, fábricas y hospitales. <<< >>>

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