Los investigadores del National Renewable Energy Laboratory (NREL) descubrieron que aumentar el espacio entre los paneles solares en una matriz puede maximizar la eficiencia de los módulos.
La industria de la energía solar ha estado creciendo constantemente recientemente. Las mejoras tecnológicas, las políticas gubernamentales y los incentivos para los paneles solares y las soluciones rentables de almacenamiento de energía están ayudando a la implementación de paneles solares para un futuro más verde. Se están volviendo más eficientes y permiten que los hogares, las empresas y las granjas produzcan más electricidad en un espacio limitado, y se están volviendo más generalizados y asequibles. Por ejemplo, los paneles solares ahora pueden alimentar una estación de carga de vehículos eléctricos.
Las células solares funcionan convirtiendo la radiación solar que incide sobre el panel en electricidad. Por contradictorio que parezca, el calor que acompaña a la radiación solar puede disminuir la potencia de salida de las células. Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) analizaron los supuestos operativos de las células solares y consideraron factores como la luz solar, la velocidad del viento y la temperatura ambiente.
NREL’s solar research center. Image used courtesy of NREL
Descubrieron que mover los paneles solares más separados en una matriz puede aumentar su eficiencia y potencia de salida al permitir que un mayor flujo de aire elimine el calor alrededor de los paneles.
Efecto de la temperatura en la eficiencia del panel solar
La temperatura es uno de los factores clave que afectan la potencia de salida del módulo solar. Aunque no afecta la cantidad de luz solar que incide sobre la celda solar, sí afecta el material semiconductor activo que convierte la luz en electricidad.
Los semiconductores suelen ser sensibles a los cambios de temperatura. La temperatura por encima de cierto límite aumenta su corriente y disminuye su voltaje de circuito abierto, y la temperatura por debajo de cierto límite aumenta el voltaje de las células solares. En el rango de temperatura de 25 grados centígrados, las celdas brindan la máxima potencia de salida y demuestran la máxima eficiencia.
En una celda solar, los electrones pueden estar en estado ligado (estado de menor energía) o en estado excitado, desde donde pueden romper el enlace y participar en la conducción. La energía requerida para que los electrones se exciten proviene de la luz del calor, y la cantidad de energía proporcionada por una celda solar depende de la diferencia de energía o potencial que se necesita para la excitación.
Un aumento de la temperatura afecta al material semiconductor al aumentar la energía de los electrones enlazados. Esto significa que los electrones se pueden excitar con menos diferencia de energía, lo que resulta en una menor potencia de salida y eficiencia de las células solares.
El material más común utilizado en las células solares, el silicio cristalino, no evita que aumente el calor, pero lo acelera en los días soleados. Afortunadamente, factores como la velocidad del viento pueden ayudar a disminuir la temperatura ambiente y los modelos de rendimiento fotovoltaico pueden modelar estos efectos térmicos con precisión.
Los paneles solares no son algo nuevo en nuestra arquitectura y entorno. En miles de casas en España hay vecinos que se han animado a poner una instalación solar que les ofrece energía de forma eficiente, limpia y gratuita en casa. Pero todavía hay muchas dudas.
Pero, empezamos con lo importante, ¿cuánto dura una instalación sin necesidad de cambiar los paneles solares? Los paneles solares son extremadamente duraderos, con una vida media de 25 a 30 años.
Esto siempre y cuando los tratemos bien, evitando que se degraden rápidamente. Los paneles solares pueden degradarse más rápido de lo previsto por varias razones: cambios climáticos extremos, se ensucian mucho o se instalan incorrectamente.
Los sistemas de paneles solares, cuando se degradan, van reduciendo su capacidad para absorber la luz solar y convertirla en energía solar a lo largo de su vida útil. Sin embargo, esta lenta pérdida de eficiencia tarda muchos años en producirse.
¿Cuánto se degrada una instalación solar con el paso de los años?
Entre los factores que lo provocan se encuentran el clima cálido y la reducción natural de la potencia química de los paneles, también conocida como «tasa de degradación».
Un panel solar con un índice de degradación menor producirá más energía a lo largo de su vida útil. Esencialmente, cuanto menor sea el índice de degradación, mejor será el panel solar. Los índices de degradación de los paneles solares también dependen de la marca.
Según un estudio del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), el panel solar medio pierde un 0,8 % de su rendimiento cada año. Sin embargo, los fabricantes de primera calidad, llegan a ofrecer paneles con tasas de degradación tan bajas como el 0,3 %.
El clima también juega un papel importante en la longevidad de los paneles solares. Una fuerte tormenta de viento puede provocar la caída de ramas de árboles y posiblemente dañar el revestimiento de vidrio antirreflectante que cubre los paneles solares de tu casa.
Las fuertes nevadas pueden hacer que los paneles pierdan su integridad estructural y acelerar su degradación, y las grandes piedras de granizo pueden dañar el cristal. Sin embargo, la mayoría de los fabricantes prueban y certifican sus paneles solares para que resistan tormentas y otras inclemencias del tiempo.
El 1,2% del desierto del Sahara puede cubrir las necesidades energéticas del mundo a través de la energía solar. Las necesidades de combustible líquido podrían ser suplidas a través del hidrógeno.
En el año 2015, la demanda total de energía a nivel mundial fue de 17.3 TW de potencia continua durante el año. Basta con cubrir un área de la tierra de 335 kilómetros por 335 kilómetros con paneles solares para cubrir una demanda de más de 17,4 TW de potencia.
El 1,2% del desierto de Sahara puede cubrir las necesidades energéticas del mundo a través de la energía solar. Infinitas extensiones de terreno con unas condiciones perfectas para producir energía solar a gran escala. De hecho, los proyectos más grandes del mundo se desarrollan en la zona.
Las necesidades de combustibles líquidos pueden ser suplidos a través del hidrógeno producido por la electrólisis del agua, producido con energía solar. Puede ser transportado en barcos petroleros, a través de tuberías o baterías.
Así es la propuesta del profesor de Berkeley,Mehran Moalem.
Energía nuclear vs energía solar
Hay otras alternativas para generar 17.3 TW de energía. Una de ellas es la energía nuclear. Sin embargo, tiene grandes desventajas y problemas respecto a la energía solar.
Por cada vatio de electricidad que produce un reactor nuclear, 2 vatios se desperdician. El agua caliente que generan los reactores es destructiva para océanos y ríos.
La producción de paneles solares tampoco es que sea 100 % amigable con el medio ambiente. Requiere el uso de químicos peligrosos y genera residuos que requieren de su reciclaje. Por ejemplo, el tetracloruro de silicio es un subproducto que necesita un manejo especial.
Actualmente se está desarrollando la fabricación de paneles solares con capas delgadas. Esta nueva propuesta usa menos energía y materiales.
A pesar de sus desventajas, sigue siendo más fácil manejar la basura que genera la energía solar en comparación con la energía nuclear.
Otro aspecto a tomar en cuenta es la relación con los proveedores. China es el principal fabricante y su participación es fundamental para abaratar el coste de un proyecto de esta envergadura a fin de otorgarle viabilidad a la propuesta.
Mejoras al ecosistema desértico
La instalación de la planta evitaría la erosión actual del desierto. La sombra de los paneles disminuye las tormentas de arena que contaminan el aire y ocurren precisamente por los procesos erosivos. La energía solar y eólica podrían ayudar a que el Sáhara fuera más verde.
El hidrógeno verde, aquel que se obtiene a partir de energías renovables, gana protagonismo como alternativa en el proceso de descarbonización de Europa. Te contamos cómo se usa este compuesto para obtener electricidad.
Planta de producción de hidrógeno verde Shutterstock.
Europa ha empezado a recorrer el camino hacia una transición energética que permita la descarbonización de todos los sectores. En ese proceso, el hidrógeno verde actúa como piedra angular de un sistema energético que sea climáticamente neutro para 2050. Pero ¿puede este compuesto posicionarse como una alternativa a los combustibles fósiles?
¿Qué es el hidrógeno verde?
El universo está compuesto por un 75% de hidrógeno, pero en la Tierra siempre está presente en combinación con otras moléculas, como con el oxígeno para crear el agua. Esto supone un obstáculo para su utilización como materia prima. Para poder emplearlo es necesario llevar a cabo un proceso químico para separarlo del resto de elementos. Es lo que se conoce como un vector energético. El empleo del hidrógeno en la industria no es algo nuevo. Tanto es así que su consumo se ha triplicado desde 1975, según los datos de la Agencia Internacional de la Energía (IEA).
El problema reside en que, en la actualidad, la mayor parte de ese hidrógeno se obtiene mediante el empleo de hidrocarburos, un proceso altamente contaminante. La IEA calcula que la producción de hidrógeno para industrias químicas y refinerías asume el 6% del uso mundial de gas natural y el 2% del consumo de carbón. Además, es responsable de 830 millones de toneladas de emisiones anuales de dióxido de carbono, lo que equivale a las emisiones de Indonesia y Reino Unido juntas.
Como alternativa, se están desarrollando proyectos basados en el empleo de hidrógeno verde que se obtiene a través de energías renovables.
Descomponer la molécula del agua: así se produce el hidrógeno verde
El método más conocido para producir hidrógeno verde es la electrólisis del agua, que consiste en descomponer la molécula del agua en sus elementos: oxígeno e hidrógeno. Para conseguirlo, se aplica una corriente eléctrica continua en un dispositivo electroquímico denominado electrolizador. La electricidad para llevar a cabo ese proceso se obtiene de fuentes renovables, como la eólica o la solar.
Ese hidrógeno se almacena en tanques específicos y es canalizado para ser empleado bien como fuente de calor o bien como energía eléctrica mediante una pila de combustible. En ese mecanismo, el hidrógeno en estado gaseoso se vuelve a mezclar con oxígeno para obtener energía eléctrica. Esto supone que el único residuo procedente de todo el proceso es el agua.
Una alternativa sostenible para el transporte
Una de las principales ventajas de este compuesto, es su versatilidad. “El hidrógeno es muy flexible porque se puede transformar en electricidad pero también en calor. Esto permite que pueda usarse no solo en las pilas de combustible, sino también en otros equipos que ya están desarrollados como los motores o las turbinas”, apunta Eva Llera, profesora del Máster Universitario en Energías Renovables y Eficiencia Energética de la Universidad de Zaragoza. A ello se une su facilidad para almacenarlo, tanto en estado gaseoso como líquido, y transportarlo.
El hidrógeno verde ha ganado fuerza como un posible aliado en algunos sectores que son muy difíciles de descarbonizar. Así, se estudia su uso especialmente en la producción de hierro y acero, la aviación, el transporte marítimo, el transporte por carretera de larga distancia y el calor para edificios, según apunta la revista científica Science.
“El hidrógeno puede ser sustituto del combustible de nuestros coches”, explica Javier Brey, presidente de la Asociación Española del Hidrógeno (AeH2). “Estos automóviles son eléctricos y llevan un tanque con cuatro ó cinco kilogramos de hidrógeno y una pila de combustible donde ese gas se transforma en electricidad. Tienen una autonomía superior a los 400 kilómetros”, añade.
Actualmente hay alrededor de 11.200 automóviles impulsados por hidrógeno en las carreteras de todo el mundo. Los objetivos gubernamentales existentes exigen que ese número aumente a 2,5 millones para 2030, según la IEA. Sin embargo, alcanzar esas metas se antoja como un desafío mayúsculo y uno de los obstáculos es que producir este tipo de hidrógeno es caro.
El coste, una barrera para su implementación
El coste de producción del hidrógeno verde está determinado por el precio de la electricidad renovable, el coste de inversión del electrolizador y sus horas de funcionamiento. “Hace falta una intervención pública o para hacer los combustibles fósiles más caros y el hidrógeno más competitivo o para ayudar a que el hidrógeno sea más barato de forma que los costes vayan bajando”, explica a Newtral.es Alejandro Núñez-Jiménez, investigador de políticas energéticas en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich.
“Ahora mismo un kilo de hidrógeno gris – aquel que se obtiene mediante el reformado de combustibles fósiles y conlleva importantes emisiones de CO2-, cuesta entre 1,5 y 2 euros, mientras que el precio del hidrógeno verde, lo poco que se produce, se sitúa en los 5,5 euros el kilogramo”, apunta Brey. Según un informe de la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA), el hidrógeno producido con electricidad renovable podría ser rentable a partir de 2030.
Sin embargo, no es la principal limitación que tiene por delante el hidrógeno como combustible, también es determinante la falta de infraestructura. ”Un vehículo que emplea hidrógeno no es mucho más caro que una berlina de alta gama, en torno a los 60.000 euros, lo que ocurre es que no tenemos una red suficiente de estaciones de servicio de hidrógeno”, detalla Brey.
Un equipo de investigadores entre los que se incluyen expertos de la [Universidad Tecnológica de Eindhoven](Universidad Tecnológica de Eindhoven) (TUE), en Países Bajos, ha sumado fuerzas para alcanzar uno de los grandes retos de las instalaciones fotovoltaicas: ganar eficiencia. Y no les ha ido mal en el intento. El organismo holandés asegura que han logrado romper la barrera de eficiencia de las células solares del 30% con un dispositivo en “tándem”, conocido así por combinar las basadas en silicio y perovskita.
El anuncio es importante para el sector. La capacidad de conversión de energía es una de las claves de la tecnología fotovoltaica y pieza fundamental para facilitar su implantación: a mayor eficiencia, mayor capacidad para generar más energía utilizando la misma superficie con un coste menor.
A comienzos de 2021, Ignacio Mártil de la Plaza, catedrático en la Universidad Complutense, apuntaba cómo al juntarse en un tándem con el silicio las perovskitas eran capaces de alcanzar una eficiencia que rondaba el 30%. Por esas mismas fechas Oxford Photovoltaics señalaba de hecho un porcentaje del 29,52% con una célula de tamaño comercial, de 15×15 centímetros. La mayoría de paneles solares comerciales presentan una eficiencia que, precisa Solarnub, ronda el 22%.
En Países Bajos han logrado ir ahora un paso más allá.
La lucha para una mejor conversión de energía
La universidad de Eindhoven y la firma Solliance, con sede también en Holanda, aseguran que “por primera vez” han conseguido que un dispositivo tándem de perovskita y silicio de cuatro terminales supere la barrera del 30%. “Hemos unido fuerzas para impulsar aún más la eficiencia de conversión de las células solares en tándem más allá de los límites de los módulos fotovoltaicos comerciales actuales”, señalan ambos organismos, que detallan que en el proyecto se han embarcado otros protagonistas, como TNO, institución dedicada al impulso de la investigación aplicada.
“Una eficiencia así permite mayor potencia por metro cuadrado y menor coste por kWh. El resultado se ha logrado mediante la combinación de la emergente célula solar de perovskita con tecnologías de células solares de silicio convencionales. La celda de perovskita que presenta contactos transparentes y forma parte de la pila en tándem se certificó de forma independiente”.
“Los dispositivos en tándem pueden alcanzar eficiencias más altas que las células solares de unión única debido a una mejor utilización del espectro solar. Los tándems emergentes actuales combinan tecnología de silicio comercial para el dispositivo inferior con tecnología de perovskita”, abundan.
La clave estaría en la capacidad de esta tecnología, fundamental en el desarrollo fotovoltaico, para la conversión de la luz ultravioleta y visible y su transparencia a la infrarroja. Al tratarse de dispositivos de cuatro terminales (4T), las celdas superior e inferior funcionan de forma independiente.
En Países Bajos y Bélgica los investigadores han logrado mejorar en un 19,7% la eficiencia de las células de perovskita semitransparentes con un área de 3×3 mm2. “Este tipo de celda solar presenta un contacto posterior muy transparente que permite que más del 93% de la luz infrarroja cercana llegue al dispositivo inferior. El rendimiento se logró mediante la optimización de todas las capas de las células solares de perovskita semitransparentes”, detalla Mehrdad Najafi, de TNO. Combinado con el dispositivo de silicio, de 20×20 mm2, el tándem 4T ofrece una eficiencia del 30,1%.
En Eindhoven insisten en las ventajas de la celda de perovskita altamente transparente con otras tecnologías basadas en silicio. Gracias a otras pruebas, abundan, han podido comprobar su potencial y flexibilidad para combinarlas con tecnologías que ya se están comercializando.
“Ahora conocemos los ingredientes y podemos controlar las capas que se necesitan para lograr una eficiencia superior al 30%. Una vez combinados con la experiencia en escalabilidad y el conocimiento acumulado en los últimos años podemos enfocarnos con nuestros socios industriales para llevar esta tecnología a la producción en masa”, señala la profesora Gianluca Coletti, de TNO.
El modelo aH72SK del fabricante con sede en Zaragoza es el primer panel solar híbrido con cubierta transparente aislante (CTA) que cuenta con la prestigiosa certificación.
Una instalación con el panel híbrido de Abora Solar. Imagen: Abora Solar
La española Abora Solar ha logrado certificar el primer panel solar híbrido con cubierta transparente aislante (CTA) con el sello Solar Keymark: se trata de una marca de calidad independiente de carácter voluntario para productos de energía solar térmica que garantiza al destinatario que un producto se ajusta a las normas europeas correspondientes y cumple, a su vez, otros requisitos adicionales. Su aplicación se extiende por toda Europa y cada vez más en países extracomunitarios.
Alejandro del Amo, Director General y Co-Fundador de Abora Solar, explica que se planteó la combinación de las tecnologías solar fotovoltaica y solar térmica en un solo producto durante su tesis doctoral con el objetivo de mejorar significativamente las prestaciones del panel. Convertido ya en realidad, el panel solar híbrido de Abora tiene un rendimiento del 89%, lo que lo convierte en el más eficiente del mundo.
El panel solar híbrido de Abora tiene un rendimiento del 89%, lo que lo convierte en el más eficiente del mundo. Imagen: Abora Solar
Hasta la fecha, la certificación Solar Keymark, desarrollada por la Federación Europea de la Industria Solar Térmica (ESTIF) y el Comité Europeo de Normalización (CEN) en estrecha colaboración con los laboratorios de ensayo europeos y con el apoyo de la Comisión Europea, consideraba para su proceso de certificación, fundamentalmente, a colectores y sistemas solares térmicos debido, muy probablemente, a la insuficiente presencia de la tecnología solar híbrida en el mercado.
Desde Abora Energy explican que, actualmente, no existe un protocolo específico dedicado a evaluar el rendimiento global, la fiabilidad y la seguridad de un panel solar híbrido como un único producto. De hecho, por ejemplo, la normativa fotovoltaica ni siquiera contempla a la tecnología híbrida en la elaboración de sus métodos de ensayo.
Por ello, el fabricante añade que ha sido necesaria la realización de ensayos de laboratorio adicionales y bajo condiciones de trabajo más desfavorables, con el fin de evaluar ambos componentes fotovoltaicos y térmicos, así como el impacto que los unos ejercían sobre los otros. “Superar las inspecciones físicas llevadas a cabo por parte de dos de los cuerpos certificadores más prestigiosos del mundo (DIN-Certco y VDE) ha sido un proceso de evolución que nos ha servido para perfeccionar nuestros procedimientos de fabricación y calidad. Ha sido un aprendizaje muy enriquecedor que refuerza nuestra seguridad y confianza en lo que hacemos y cómo lo hacemos”, dicen Vicente Zárate, Director del Departamento de Operaciones y Co-Fundador de Abora Solar, y Marta Cañada, Directora Técnica.
El Gobierno elevará los objetivos del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC).
España está enfocada en dar el salto a la producción de módulo solares. El Gobierno trabaja para liderar un Proyecto de Interés Comunitario (IPCEI) fotovoltaico en Europa, con la creación de un gigafactoría de módulos solares, tal y como explico Saara Aagesen, secretaría de Estado de Energía, en el IX Foro Solar de UNEF.
El proyecto requeriría una inversión cercana a los 1.000 millones de euros y cuenta con el respaldo de un grupo de empresas tanto españolas como alemanas.
Actualmente, la inmensa mayoría de los módulos solares (que suponen el 35% del coste de la planta fotovoltaica) se produce en el continente asiático, pese a que en España ya se puede cubrir hasta un 65% de los costes de una planta (electrónica de potencia, estructuras, diseño, especialistas, promotores) y cuenta dos de los diez mayores fabricantes mundiales de inversores y tres de los diez mayores fabricantes de seguidores solares.
Como adelantó elEconomista.es, el 20 de mayo el Consejo Europeo de Fabricación Solar (ESMC) lanzó oficialmente su proyecto para movilizar inversiones comunitarias en este sentido en un evento denominado PV-IPCEI.
El encuentro agrupó a representantes de alto nivel de la Comisión Europea, los Estados miembros y la industria de fabricación fotovoltaica para presentar y debatir los avances en curso. Austria, Lituania, Luxemburgo, Polonia y España apoyan al marco PV-IPCEI lanzado. Actualmente, está formado por 6 proyectos, pero los proyectos complementarios y los consorcios de diferentes partes a lo largo de toda la cadena de valor de la fabricación fotovoltaica serán bienvenidos.
Aumentar los objetivos de PNIEC
La secretaria de Energía también aprovechó el Foro Solar para explicar que el Gobierno revisará los objetivos del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC), sobre todo en lo que a la capacidad solar se refiere. La propuesta de la patronal fotovoltaica esta tecnología pueda alcanzar los 65 gigavatios (GW) antes de 2030.
Concretamente, la propuesta de UNEF para el objetivo de penetración a 2030 del autoconsumo es de 15 GW, lo que supondría la instalación de 1,36 GW al año, teniendo en cuenta que a finales de 2021 la capacidad acumulada era de 2,7 GW.
Asimismo, el sector fotovoltaico defiende que el almacenamiento contemplado en el PNIEC debe ser de 20 GW (10 GW de bombeo reversible, 8 GW de baterías en plantas en suelo y 2 GW de baterías detrás de contador). «También es fundamental crear un mecanismo de retribución al almacenamiento rentable», explicó Rafael Benjumea, presidente de UNEF, en su intervención en el Foro Solar.
«Vamos a habilitar 30 millones en ayudas para comunidades energéticas y vamos a establecer una línea de subvenciones para almacenamiento e hibridación«, aseguró Sara Aagesen.
Para ser claros, los paneles solares transparentes suenan demasiado buenos para ser verdad.
Tienen el potencial de cambiar las ciudades de grandes usuarios de energía a proveedores de energía en un instante y podrían marcar el comienzo de una nueva era de revolución de energía limpia mientras protegen las tierras de cultivo y los hábitats naturales.
Y, mientras el mundo se esfuerza por lograr un futuro con bajas emisiones de carbono para frenar los peores efectos del cambio climático, la energía solar debería ser, sin duda, uno de nuestros aliados más fuertes. Pero, ¿Qué tan viables son las tecnologías solares transparentes? ¿Podríamos realmente generar electricidad desde las ventanas de las oficinas, los hogares, el techo corredizo de los automóviles o incluso los teléfonos inteligentes? Vamos a explorar.
¿Qué es la ‘energía solar transparente’?
La energía solar transparente es una tecnología de punta que recolecta y utiliza la energía de la luz a través de ventanas o cualquier superficie de vidrio, sin importar el ángulo. Tiene el potencial de cambiar las reglas del juego en términos de ampliar el alcance de la energía solar.
En términos de ingeniería, los investigadores han creado varios medios de tecnología solar transparente. Sin embargo, en general, la mayoría de ellos funcionan más como un concentrador solar transparente, lo que significa que están hechos para absorber longitudes de onda de luz ultravioleta e infrarroja específicas que no son visibles a simple vista y transformarlas en energía capaz de alimentar la electrónica.
Esta tecnología también se denomina vidrio fotovoltaico y se fabrica para proporcionar un nivel variable de transparencia. En 2014, los investigadores de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) desarrollaron un concentrador solar completamente transparente, que podía convertir casi cualquier lámina o ventana de vidrio en una celda fotovoltaica.
Y para 2020, los científicos de los Estados Unidos y Europa han logrado una transparencia del 100 % para el vidrio solar, acercándonos un paso más al objetivo de un futuro sostenible que no dependa de la red de la industria de los combustibles fósiles.
¿Cuales son los beneficios?
Los paneles solares transparentes son increíblemente importantes ya que, en la sociedad moderna, el vidrio está prácticamente en todas partes. Desde la pantalla de su teléfono hasta los rascacielos, se estima que hay de 5 a 7 mil millones de metros cuadrados de superficies de vidrio en los Estados Unidos. Imagine la gran cantidad de electricidad que podría generarse si pudiéramos aprovechar ese poder.
La carga diurna es la mejor opción para la recarga TESLA.
La recarga diurna cuando el parque sea masivo reduciría la necesidad de centrales de almacenamiento y las pérdidas de energía
Lo asegura un estudio de la Universidad de Stanford que afirma que los precios no están alineados con lo ideal para la red y el usuario
Solicita “considerar inversiones en infraestructura de carga para los lugares donde trabaja la gente”
“Hemos podido demostrar que con menos carga en el hogar y más carga durante el día, la zona oeste de EE. UU. necesitaría menos capacidad de generación y almacenamiento, y no desperdiciaría tanta energía solar y eólica”. Son palabras de Siobhan Powell, autora principal de un estudio de la Universidad de Stanford que ha proyectado la demanda de carga diaria de los vehículos eléctricos personales en 2035 en un escenarios de alta electrificación.
El estudio se ha realizado sobre la parte estadounidense de la red de interconexión occidental (WECC), que cubre 11 estados con más de 75 millones de personas. Sin embargo, a pesar de estar centrado sobre las peculiaridades de esta red, el estudio es muy revelador para países como España, con similitudes en cuanto a la red de energías renovables muy basada en la solar y, por supuesto, sobre la necesidad de almacenamiento de la energía generada.
Por ejemplo, el mayor aporte de energía renovable se registra durante las horas centrales del día que son las de mayor capacidad de energía solar generada. Así que la forma más eficiente y económica de usar esa energía es a medida que se genera, momentos en los que tiene más sentido la recarga de los vehículos eléctricos.
Enfoque global
Es más, muchos de los planteamientos de estos investigadores tienen en cuenta perspectivas a nivel global, como los más de 300 millones de vehículos eléctricos (VE) y los 175 millones de enchufes de carga que se espera que se multipliquen en todo el mundo para 2035. Sus autores -Siobhan Powell, Gustavo Vianna Cezar, Liang Min, Ines M. L. Azevedo y Ram Rajagopal- explican que las implicaciones de la electrificación del transporte para la red se han estudiado hasta ahora en niveles bajos de adopción a corto plazo.
Por otro lado, las decisiones de cobro están basadas en los comportamientos de los primeros usuarios, generalmente personas acomodadas con acceso a la carga doméstica. En cambio no lo están tanto en los hogares de bajos ingresos con ese acceso más limitado, por lo que se basan en exceso en las posibilidades de la llamada carga inteligente o controlada, que se realiza automáticamente en las horas más baratas de la electricidad que son las nocturnas por la menor demanda.
Este análisis incluye el almacenamiento de la red y calcula las emisiones, concluyendo que entre los pasos del proceso generación- almacenamiento-recarga se producen pérdidas inevitables y que el uso nocturno obliga a ampliar la capacidad de almacenamiento, elevando los costes. En el ámbito del estudio, el oeste de los EE.UU., cuando el 50 por ciento de los conductores posean coches eléctricos, se necesitarán 5,4 gigavatios de almacenamiento de energía, el equivalente a cinco grandes reactores de energía nuclear.
Mitigar problemas
Acompasar la recarga con el ciclo natural de generación de energía no solo se reducen las emisiones de gases de efecto invernadero (al incrementar el flujo de renovables) sino que además se equilibra la red. En el estudio se describe cómo basta con que un tercio de los hogares de un vecindario configuren sus vehículos para cargarse a una determinada hora fuera del pico de demanda (o cuando bajen las tarifas), para que la red californiana sea inestable. Las comparaciones con España no son posibles en este aspecto, ya que la calidad de la red española es superior.
Problemas añadidos a la recarga descontrolada que se podrían mejorar serían la reducción de demanda máxima, aminorar las mejoras en las subestaciones, eliminar sobrecargas en los transformadores y el cableado de red o disminuir la necesidad de sustitución de equipos eléctricos. “Nuestro objetivo es identificar qué escenarios de adopción de vehículos eléctricos a gran escala mitigan mejor las consecuencias negativas de la carga y trazan un camino efectivo de descarbonización a través de la integración vehículo-red”, afirman los investigadores.
Sugerencias
“Los hallazgos de este documento tienen dos implicaciones profundas: la primera es que las señales de precios no están alineadas con lo que sería mejor para la red y para los contribuyentes. La segunda es que requiere considerar inversiones en una infraestructura de carga para donde trabaja la gente”, afirmó Ines Azavedo, coautora principal del informe.
Basándose en que la generación de electricidad y la recarga están descoordinadas en gran medida, los de Standford afirman que se requiere una planificación a largo plazo que ha sido poco analizada en profundidad hasta ahora y por eso “Nuestros resultados instan a los legisladores a reflejar los impactos a nivel de generación en las tarifas de los servicios públicos e implementar una infraestructura de carga que promueva un cambio de la carga doméstica a la carga diurna. La planificación debe apuntar a la construcción de infraestructura de carga durante la próxima década que respalde dicho cambio”.
Oportuno
El estudio surge en un momento decisivo para el futuro de la electrificación en California. Se publicó el pasado día 22 justo después del anuncio de la obligatoriedad de venta de coches nuevos cero emisiones para 2035, pero también después de los anuncios de restricciones a la recarga.
Pero además ha coincidido con otro evento que ha pasado un tanto desapercibido: un incendio que se produjo en una instalación de almacenamiento de energía de Tesla en Elkorn (Monterrey, California). Este complejo acoge 33 naves que contienen 256 mega paquetes de baterías de la marca norteamericana (lo denominan Tesla Megapacks). El fuego pudo ser apagado sin daños personales.
Este es el segundo incendio que se produce en unas instalaciones de este tipo de Tesla en menos de un año, pues en julio pasado se produjo un incidente similar en Moorabool (Victoria, Australia), cuando el sistema estaba siendo testado.
Los paneles solares se han convertido en una de las señas de identidad tecnológicas de la sociedad moderna. Los paneles negros rectangulares se encuentran en un número cada vez mayor de techos de casas y edificios comerciales y en campos de granjas solares que sirven a comunidades enteras. Pero, ¿y si no te gusta el negro?
Los paneles solares en colores alternativos han estado disponibles durante algún tiempo, pero los paneles coloridos han sido costosos y significativamente menos eficientes que los del negro tradicional. Sin embargo, eso puede estar cambiando a medida que se desarrollan nuevas tecnologías para hacer que la energía solar sea más colorida.
¿Por qué los paneles solares son negros?
Los paneles solares son negros porque ese es el color natural del silicio después de haber sido fabricado en un panel solar. En realidad, las células solares monocristalinas, donde cada célula solar está hecha de un solo cristal de silicio, son negras. Estos son los paneles solares comerciales más eficientes y el color negro de las células les ayuda a absorber la mayor cantidad de energía.
Algunas celdas solares comerciales son de color azulado; están hechas de silicio policristalino con una sola celda que contiene varios cristales individuales. El color azul resulta de cómo los cristales interactúan con la luz solar. Debido a que hay múltiples cristales, la conducción de electrones es más lenta y las células policristalinas son menos eficientes que los tipos monocristalinos, pero pueden ser algo más económicas.
Se pueden crear paneles solares en varios colores utilizando pequeñas esferas incrustadas en la superficie del panel. Imagen utilizada por cortesía de ACS Nano.
Desde una perspectiva de ingeniería, hacer paneles solares coloridos puede parecer frívolo. Sin embargo, a algunos clientes les desaniman las grandes extensiones de paneles negros, o las empresas pueden estar buscando colores de panel que se mezclen con el tema de un edificio o el logotipo de la empresa. Algunas asociaciones de propietarios locales también pueden tener reglas con respecto a los colores que se pueden usar para los techos, por lo que proporcionar paneles solares en colores que no sean el negro o el azul podría ser una solución.
Recuerde que Henry Ford dijo que su automóvil Modelo T podía adquirirse “en cualquier color, siempre que fuera negro”. Al ofrecer solo un tono, Ford pudo hacer que su línea de producción fuera más eficiente, reduciendo drásticamente el precio de su Modelo T. Eventualmente, incluso el iconoclasta Henry Ford se inclinó ante la presión de los clientes y ofreció el Modelo T en una variedad de colores.
Los paneles solares de color sacrifican significativamente la eficiencia
Inicialmente, cuando los clientes querían paneles solares que no fueran negros o con un tinte azulado, los fabricantes especializados estaban dispuestos a complacerlos recubriéndolos con una pintura o tinte translúcido. Esto no solo hizo que los paneles fueran más caros sino que, al bloquear parte de la luz que llegaba a los paneles, también redujo la eficiencia del panel solar, a veces hasta en un 45 por ciento.
Reducir la cantidad de energía que puede producir un panel solar aumenta el tiempo necesario para pagar el costo de los paneles y su instalación, por lo que este método de colorear los paneles solares no fue una buena idea. Además, los revestimientos y tintes se desvanecerían durante los 15 a 20 años de vida útil del panel solar, lo que provocaría una pérdida de atractivo estético.
Scattering de luz para producir color en paneles solares
Investigadores de los Países Bajos han desarrollado células solares de color verde brillante integrando las células solares de silicio con nanodispersores dieléctricos formados por nanocilindros de silicio cristalino impresos en la superficie de la célula solar. Los cilindros tienen entre 100 y 120 nanómetros (nm) de ancho y 240 nm de alto. Dispersan la luz de una manera que produce un color verde en un rango de ángulos (8° a 75°) y resultan en una pérdida de solo 10-11 por ciento en eficiencia.
Los nanotubos de silicio que se imprimen en la superficie de los paneles se pueden ajustar para cambiar la forma en que se dispersa la luz para producir diferentes colores. Debido a que se pueden crear los colores primarios rojo, verde y azul, también se puede crear casi cualquier otro color en los paneles.
Estructuras de superficie
Un grupo de la Universidad de Hong Kong en China también está analizando las fuentes estructurales de color en la superficie de los paneles solares. El equipo ha aprovechado las formas microscópicas que solo reflejan una porción de luz estrecha y selectiva, produciendo un color.
El equipo roció una fina capa desordenada de esferas de sulfuro de zinc microscópicas dieléctricas, un material al que llamaron vidrio fotónico, sobre las superficies de las células solares. La mayor parte de la luz pasa a través del cristal fotónico, sin embargo, se reflejaron colores selectivos en función del tamaño de las esferas. Los investigadores crearon paneles solares con tonos azules, verdes y morados y solo redujeron la eficiencia en aproximadamente un 1 por ciento.
Usando pruebas de durabilidad estándar, el equipo de Hong Kong también descubrió que los paneles solares fabricados con una capa de vidrio fotónico mantuvieron su color y rendimiento. El equipo está buscando cómo hacer que los colores sean más vibrantes y saturados y producir una gama más amplia de colores, además de ampliar las técnicas de fabricación.
Tejas solares Tesla
Yendo en una dirección diferente, en 2017 Tesla anunció que produciría paneles solares que parecen tejas regulares. Reemplazando las tejas tradicionales, la compañía inicialmente indicó que las tejas estarían disponibles en varias texturas e insinuó que también se producirían varios colores. Eso no ha sucedido ya que las tejas solares Tesla actualmente disponibles comercialmente están disponibles solo en azul y azul oscuro, y negro y solo en una textura suave. Los paneles solares estándar de Tesla, por el momento, solo están disponibles en color negro.
Ventanas solares
Los edificios residenciales y comerciales usan el 74 por ciento de toda la electricidad y el 39 por ciento de toda la energía. El calor generado por la luz del sol que entra por las ventanas crea la mayor necesidad de aire acondicionado y refrigeración en los edificios.
Una solución podría ser la tecnología “fotovoltaica termocrómica” que está desarrollando el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). El concepto es permitir que las ventanas cambien de color cuando el vidrio se calienta en un día caluroso y soleado, bloqueando algunos de los rayos del sol. Una ventana solar de primera generación podía alternar entre los colores transparente y marrón rojizo, pero requería temperaturas entre 150 y 175 grados Fahrenheit para que ocurriera la transformación. Las últimas versiones desarrolladas por NREL tienen una gama más amplia de colores y requieren entre 95 y 115 grados Fahrenheit para la transformación, el tipo de temperatura que alcanza el vidrio en un día soleado. Los investigadores también pudieron acelerar la transformación de más de tres minutos en las primeras versiones a unos siete segundos en la última iteración.
Para generar energía solar, se puede intercalar una película delgada de cristales de perovskita entre capas de vidrio que producen electricidad fotovoltaica a partir de la luz solar. Las perovskitas son minerales cristalinos que pueden aprovechar la luz solar y convertirla en electricidad. Actualmente objeto de intensa investigación, tienen el potencial de reemplazar al silicio a un menor costo y con mayor eficiencia.
Los científicos del NREL colocan una fina película de perovskita entre dos capas de vidrio e inyectan vapor de agua para cambiar la humedad interna. Esto crea una reacción que hace que la perovskita se organice en diferentes formas, que van desde una estructura de cadena hasta una hoja o incluso un cubo. Las formas cambiantes hacen que emerjan diferentes colores y al bajar la humedad, la perovskita vuelve a su estado transparente normal.
Energía y Estética
El uso de paneles solares, tejas solares e incluso ventanas fotovoltaicas puede ayudar a convertir edificios residenciales y comerciales en generadores de electricidad y permitirles contribuir a construir una red eléctrica más sólida y sostenible. Si agregar una paleta de colores para reemplazar el negro básico del panel solar hace que la aceptación sea más fácil para los arquitectos, decoradores, propietarios de viviendas y usuarios finales, y el resultado es más energía solar en la red, valdrá la pena el esfuerzo de coloración solar.
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