🍛 🤛🏻 🧙🏾 Energía solar: hoy y mañana 🤵🏼 👨🏼‍🍳 🐤

Desde la crisis del petróleo de la década de 1970, la sociedad comenzó a pensar en encontrar una alternativa a la energía tradicional de hidrocarburos. El potencial de la energía solar, como el más grande y accesible para la humanidad, siempre ha atraído la atención de la comunidad científica. El uso de energías renovables formó la base del concepto de movimientos sociales y políticos completos. En los últimos diez a quince años, la energía solar se ha desarrollado rápidamente y ha ganado cierta distribución en el sector de generación de energía. En general, podemos hablar sobre la tendencia de crecimiento exponencial de la generación de energía fotovoltaica en los últimos veinte años [1]:

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Parece que ahora los datos empíricos ya son suficientes, lo que significa que es posible evaluar las capacidades de la industria de ninguna manera en teoría. Pero a pesar de esto, las opiniones siguen siendo extremadamente polares. Un lado señala que el costo de la electricidad en las plantas de energía solar es más costoso que los tradicionales, no hay tecnologías rentables para almacenar electricidad, necesarias debido a las fluctuaciones diarias en la generación, y mucho más. La otra parte informa sobre el crecimiento exponencial de la generación de energía eléctrica SES, la reducción de costos por debajo del nivel de la industria tradicional de energía térmica. ¿Quién tiene la razón? Como a menudo notamos, la verdad está en el medio. En nuestra opinión, la razón de las diferencias en las estimaciones es bastante simple y resuelve la disputa de las partes en conflicto:La relevancia de la energía solar varía mucho de muchas maneras, y dependiendo de la situación, resulta ser un campamento de seguidores o viceversa. En adelante, la energía solar significa fotovoltaica, el uso de tecnologías solares térmicas es aún más costoso y tales plantas de energía son menos comunes.

Nivel conceptual: enfoque de nicho

¿Por qué razones surgió el alboroto?
• Aislamiento. Si comparamos California y las regiones del norte de Rusia, entonces podemos hablar de una diferencia de cuatro veces con un efecto proporcional en el costo.
• En los últimos 35 años, los precios de las células solares han disminuido e incluso hay un patrón empírico: cada 5 años, el precio baja dos veces. Por lo tanto, las estimaciones del costo de la generación solar se vuelven constantemente obsoletas y este factor debe tenerse en cuenta en la discusión.
• La complejidad de las redes de distribución de energía, la necesidad de tecnologías de almacenamiento para la electricidad generada, las capacidades de derivación y el aumento en la capacidad de transmisión de las redes de energía principales aumentan con un aumento en la participación de la energía solar en el balance eléctrico.
• El costo de la energía eléctrica tradicional varía mucho según la elección del estado en estudio y el período de tiempo.
Puede continuar durante mucho tiempo, pero es obvio que si considera la opción con alta insolación, con los bajos precios esperados del futuro cercano, una pequeña participación en el balance eléctrico y la costosa energía eléctrica tradicional local, entonces la energía solar superará significativamente a la tradicional en términos de rentabilidad y no requerirá inversiones especiales en infraestructura. Para la situación inversa, la energía solar se verá inaceptable.

Por lo tanto, no se puede "cortar el hombro" y precipitar tesis sobre energía solar sin tener en cuenta las condiciones territoriales, climáticas y de otro tipo de un caso particular. En nuestra opinión, se debe aplicar un enfoque de "nicho" para comprender la aceptabilidad de la generación de energía solar.

Estimaciones cuantitativas: el costo de la electricidad

Las estimaciones del costo de la generación de energía fotovoltaica dependen de la metodología elegida, el costo de capital y otros parámetros; por lo tanto, para obtener una imagen general, uno debe confiar en muchas estimaciones independientes:

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los límites superiores de la energía tradicional, sin mencionar la generación de productos derivados del petróleo, se cruzan con los límites inferiores del costo estimado de la electricidad fotovoltaica. Junto con otros matices, esto crea nichos para el atractivo de la energía solar. Según nuestras estimaciones, hoy su tamaño es aproximadamente del 3-5% de la generación de electricidad del mundo. Fuera de estos nichos estrechos, la energía solar, en general, y hoy en día, no es económicamente factible.

El tamaño de los nichos es insignificante en relación con la generación de energía mundial, pero aún excede la capacidad instalada en tres veces, lo que brinda a la industria solar oportunidades para un mayor crecimiento a largo plazo. Considerando los factores que aumentan el consumo de electricidad en los países en desarrollo, reducen el costo de la generación de energía solar y aumentan el costo de la generación tradicional, es lógico suponer que los "nichos" aumentarán con el tiempo. Veamos algunos ejemplos.

Archipiélago de Energía Solar

Si nos fijamos en un nivel general, hoy y en general, el uso de la energía solar es bastante injustificado. Pero entre el océano de energía tradicional hay un lugar para islas fotovoltaicas individuales. Enumeramos las razones por las cuales aparecieron los nichos para la energía solar:

sustitución de productos derivados del petróleo. En primer lugar, el costo ya mencionado. Por ejemplo, Japón, que ocupa el tercer lugar en la generación de energía mundial, produce el 10% de la electricidad de los productos derivados del petróleo y esto no es una consecuencia de la tragedia de Fukushima, ya era así antes. Según el Banco Mundial, en 43 países, la proporción de productos derivados del petróleo (fuel oil, diesel) en la generación de electricidad supera el 10% [10]. Por lo general, este tipo de generación de energía se usa temporalmente, para superar los picos diarios de consumo de energía, ya que por la noche el consumo de energía es significativamente menor. Esta costosa generación pico en todos los sentidos, $ 100 / MWh y más en el caso de los productos derivados del petróleo, se reemplaza conveniente y económicamente por energía solar ($ 100 y menos), lo que Japón ha comenzado a hacer. Se puede observar una situación similar en el caso de las costosas importaciones de gas natural.

Déficit de recursos energéticos propios. Otro buen ejemplo es la India. El país tiene una escasez catastrófica tanto de electricidad como de su propia producción de energía, lo cual fue indicado elocuentemente por las promesas electorales del Primer Ministro: "¡Electricidad para cada hogar!" Tal escasez aguda motiva a resolver el problema por cualquier medio, y además de la generación básica, también se necesita un pico. Pero el país tiene recursos de carbón insuficientes y no se ha establecido un solo gasoducto: Estados Unidos ha amenazado a Pakistán con sanciones durante muchos años por aceptar ingresar al proyecto para transportar gas desde Irán a la India a través de su territorio, aunque recientemente la situación ha avanzado.

El resultado de la escasez crónica de energía, juegos políticos de jugadores externos, dependencia de importaciones, etc. se convirtió en una decisión para aumentar la participación de la generación de energía solar, el beneficio de la alta insolación y la mano de obra barata lo hará relativamente barato, aunque más caro que la energía del carbón. Dada la dinámica frenética de la economía (crecimiento del 7,5% en 2014) y las razones anteriores, esto es mejor que la actual falta total de acceso a la electricidad para 250 millones de ciudadanos indios. El Ministerio de Energía Nueva y Renovable ha lanzado un programa de proyectos con el nombre simbólico de “plantas de energía ultra mega solar”, en cuyo marco se han asignado territorios para parques de plantas de energía solar, se ha establecido infraestructura, etc. El objetivo inmediato es de 100 GW para 2022 [11].

Factores medioambientales. El costo de la generación de calor en la mayoría de los países es más bajo que el solar, especialmente en China. Pero, por ejemplo, la salud no se puede comprar por dinero. La contaminación del aire anualmente quita la vida de aproximadamente 0.5-1 millón de personas en China y afecta negativamente la situación social y política. Además, dos tercios de las capacidades de producción mundial de células solares se encuentran en el Reino Medio [12]. Así, apareció otro nicho para la energía solar y el Centro Nacional de Energía Renovable de China apunta a 100 GW de capacidad instalada para 2020 y 400 GW para 2030 [13]. Dado que para el primer trimestre de 2015, la capacidad fotovoltaica instalada en China aumentó en 5 GW y alcanzó 33 GW [14], los objetivos parecen bastante adecuados.

Hay casos complejos, como Australia. Mientras las empresas generadoras y las fuerzas políticas discuten sobre a quién culpar por los altos precios minoristas de la electricidad, a saber, $ 250-350 / MWh, el 14% de los hogares ya usan células solares [15]. Etc.

Por lo tanto, cuando se utiliza un enfoque de nicho, se hace evidente que, en el caso de nichos estrechos específicos, la verdad está del lado de los seguidores de la energía solar, y en otros casos las tesis de los oponentes ya son válidas. Pero, como antes, las simplificaciones son excelentes y los matices del enfoque correcto se considerarán a continuación.

Perspectivas Costo en función del tiempo.

La cuestión del desarrollo energético no debe centrarse en factores tácticos y el costo actual. La vida útil de las centrales nucleares se acerca a un siglo, los gastos de capital para el desarrollo de depósitos individuales de hidrocarburos han alcanzado el orden de cientos de miles de millones de dólares con un período de recuperación adecuado, el costo de la electricidad de las células solares se reduce anualmente en un 15%, y así sucesivamente. Es decir, el enfoque debe ser estratégico y con un horizonte de planificación de varias décadas, y en el caso de Francia y Rusia, donde la energía nuclear juega un papel especial, el horizonte de planificación pasa a una escala histórica: un siglo. Por lo tanto, es contraproducente centrarse en el costo actual de la generación de electricidad.

El pronóstico, como saben, es una tarea ingrata. Sin embargo, es mejor que nada. El progreso tecnológico permitió reducir el costo de producción de fotocélulas ( 200 veces en los últimos 35 años), inversores, etc., mientras que el desarrollo del mercado hace bajar los precios de instalación y mantenimiento. Es poco probable que el progreso se detenga y los trabajadores se vuelvan menos calificados, por lo que se esperan nuevas reducciones en los precios de las células solares y los servicios relacionados, mientras que los precios de la energía "todas las demás cosas serán iguales". La esencia general de todos los pronósticos es la misma: la reducción exponencial de costos que se ha observado en los últimos 35 años continuará y no hay razones obvias para detener el progreso:

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Dentro del marco del "enfoque de nicho", es lógico confiar en el límite inferior del costo, ya que la energía solar comienza su desarrollo con las situaciones más rentables y las llenará durante mucho tiempo y lentamente. Llenar incluso el 5% de la generación de energía mundial llevará unos 10 años.

De acuerdo con las previsiones de la Agencia Internacional de Energía, de la cual Rusia es miembro, y el Instituto Alemán de Energía Solar nombrado después Fraunhofer, la energía solar se está volviendo más barata, pero no se está volviendo "gratuita". Se espera que la energía tradicional barata de países como Rusia, EE. UU., China, Noruega, etc. sea más barata que la solar durante muchos años.

Contexto de red

El problema de integrar la energía solar a gran escala en una red de energía única no se ha resuelto hoy y, además, no hay solución incluso en el horizonte. "The Sun" es una opción conveniente para hacer frente al consumo máximo diario, pero en algunos casos hay un problema de pico nocturno, sin mencionar el invierno. Incluso la inesperada niebla de la mañana de verano, que ocultó el sol de varios gigavatios de energía fotovoltaica en Alemania, puede confundir a los ingenieros eléctricos: hay ejemplos . Por el momento, por ejemplo, Europa está resolviendo sus desequilibrios de "red" mediante la importación y exportación de electricidad, pero en nuestra opinión las posibilidades de esta herramienta son limitadas. A nivel conceptual, hay varios enfoques:

Reserva. Un ejemplo conveniente es Alemania. Debido a los problemas descritos anteriormente, es necesario mantener "alerta" la generación a gas "10 alertas", es decir, reservar la generación solar, aunque el uso de la generación solar permitió abandonar por completo esta costosa generación durante los picos diurnos en el verano. La parte principal del costo de la electricidad de una central térmica de gas es el combustible, y la compañía en cierta medida ganó al ahorrar en la importación de gas natural, a pesar del tiempo de inactividad de la central térmica en el verano.

La situación opuesta se observa en el caso de desviar los TPP de carbón, donde la parte principal del costo son los gastos de capital. En este caso, sucede lo contrario: el combustible representa una pequeña fracción del precio de costo y con una disminución en el factor de utilización de la capacidad instalada (KIUM), la electricidad en su conjunto le costará más a la sociedad, ya que tendrá que pagar tanto por la generación solar como por las capacidades inactivas de los TPP de carbón, que son mucho más caros que el gas [16 ]

Acumulación. Es posible abordar la cuestión de los problemas de red a través de la acumulación de electricidad. En países donde la insolación en verano es significativamente más alta que en invierno (por ejemplo, Alemania), los problemas de integración comienzan cuando la energía fotovoltaica forma el 7% de la generación de energía anual promedio. En este caso, en el verano, el porcentaje diario promedio aumenta al 10%, y durante el día al 30% [17], lo cual es un problema grave para el sistema eléctrico. La acumulación es una salida natural para un mayor desarrollo de la situación, a pesar de que en este momento no hay necesidad de ello [18]. Además, las dudas sobre el desarrollo a gran escala de la energía solar son reducibles al problema de la acumulación barata, ya que el problema del alto costo de la generación de energía eléctrica de las células solares con una alta probabilidad dejará de existir tarde o temprano y solo el problema de la integración en la red permanecerá.

Para 2014, la capacidad mundial instalada de los sistemas de almacenamiento es de 145 GW; el 99% están representados por centrales de almacenamiento por bombeo (PSP) [19]. Los sistemas de almacenamiento de aire comprimido (ACSV) se han utilizado durante más de una década, pero aún no se han distribuido; la implementación actual de ambos sistemas es crítica para las condiciones geográficas y geológicas.

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[20,21]

El umbral más bajo actual es de $ 80 / MWh y hay razones para creer que AHRN y otras tecnologías pueden reducirlo, sino que es una realidad durante al menos la próxima década. La capacidad de almacenamiento adicional de $ 80 / MWh es insoportable para la energía solar, pero en cierta medida esto es una cuestión de metodología. Las baterías recargables de plomo-ácido y otros tipos en este momento y en el mediano plazo no son recomendables en el papel de los sistemas de almacenamiento para sistemas fotovoltaicos industriales.

EROEI fotovoltaica - eficiencia energética

Brevemente sobre la rentabilidad energética, con ejemplos y cálculos, se describió en un artículo anterior , por lo que omitimos la repetición de los conceptos básicos. EROEI fotovoltaica no es un "secreto detrás de siete sellos" y hay muchos estudios sobre este tema. Si resumimos 38 estudios [22], podemos obtener el siguiente rango EROEI para diferentes tecnologías:

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En nuestra opinión, estos son buenos resultados. En consecuencia, energéticamente, las células solares dan sus frutos en 0.5-4 años.

Aspectos territoriales

La cuestión territorial para la energía fotovoltaica es otro excelente ejemplo de una "verdad media": los países varían mucho en el consumo de energía por unidad de superficie. Los muchachos del Instituto de Tecnología de Massachusetts estiman el área requerida de energía fotovoltaica para satisfacer la demanda de electricidad de los Estados Unidos como un cuadrado de 170x170 km [9]. La misma cifra se puede obtener empíricamente: por ejemplo, la moderna planta de energía solar Solar Star tiene una capacidad de 579 MW y un área de 13 km2, el sistema de seguimiento del sol le permite elevar el factor de utilización de la capacidad instalada (KIUM) al 30% [7], y todo el consumo la electricidad en los EE. UU. es 4.1 * 10 ^ 15 Wh * h: una serie de cálculos simples llevarán al lector curioso al mismo número. Por ejemplo, a continuación hay un mapa de los EE. UU.,en el cual aplicamos el área requerida de las plantas de energía solar (sujeto a la corrección KIUM) para satisfacer todo el consumo de energía de los Estados Unidos:

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Según GoogleMaps, como

puede ver, es fácil deshacerse de una pequeña parte de los desiertos de Arizona y Nevada. Es interesante agregar que el área total de todos los techos en los Estados Unidos es de 140x140 km cuadrados [9]. Pero Japón tiene solo cuatro veces menos consumo de energía en comparación con los Estados Unidos y 25 veces menos área, por lo que para Japón el matiz territorial de la energía fotovoltaica es mucho más agudo y no hay 90x90 km adicionales allí.

Lecciones de historia: la evolución de las estimaciones del potencial fotovoltaico

La paradoja de Hegel afirma que "la historia le enseña al hombre que el hombre no aprende nada de la historia". A pesar de la juventud de la energía solar, hasta el día de hoy ya existe una experiencia que es "el hijo de errores difíciles", y vale la pena prestar atención a los errores anteriores para no multiplicar los suyos. Resumiendo las previsiones sobre la energía solar de hace muchos años por dos agencias de energía líderes:

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[23,24,25,26]

La conclusión es obvia: la energía fotovoltaica se subestimó sistemáticamente y con mucha fuerza: en 2006, la AIE predijo 87 GW para 2030, pero este nivel se superó después de seis años. El pronóstico de referencia de 2009 (208 GW) se superará en 2015-2016. Los pronósticos de AEI (EIA), una división del Departamento de Energía de los Estados Unidos, fueron similares. La esencia de los pronósticos era la misma: una desaceleración en el desarrollo exponencial actual, pero el desarrollo de la energía fotovoltaica refutó sistemáticamente estos supuestos.
Por lo tanto, mirar el desarrollo de la energía fotovoltaica en colores pesimistas será, más bien, un error, lo que enseña retrospectivamente. Vale la pena mencionar el efecto de una base baja: a pesar del hecho de que la generación solar aumentó en un 50% anualmente, en números absolutos, esto es aproximadamente 30 TW * h en los últimos años. Si bien el consumo mundial de electricidad está aumentando, en promedio, en 650 TW * h por año [27]. Es decir, la contribución de la energía fotovoltaica sigue siendo insignificante: el 1% de la generación mundial de electricidad y el 0.2% de la producción mundial de energía primaria (este parámetro incluye todas las fuentes de energía en general: hidrocarburos, etc.).

recomendaciones

La verdad está en el medio, entre las dos posiciones indicadas al comienzo del material.

La generación de energía fotovoltaica está creciendo a gran velocidad y la tendencia continuará
- 2030-

Por lo tanto, a pesar del progreso significativo de las fuentes de energía fotovoltaica y renovables en general, los combustibles fósiles tendrán que usarse durante un tiempo bastante largo , y las dificultades de la transición a un nuevo almacenamiento de energía están por venir. El desarrollo en general y el aumento del consumo de energía en particular son atributos invariables de la humanidad durante cientos de años y, sin duda, la sociedad seguirá mejorando. Según el Banco Mundial, mil millones de personas no tienen acceso a la electricidad [28] y la tarea de proporcionar electricidad a la humanidad es un desafío para la energía solar. Dado que el consumo mundial de electricidad está creciendo a una tasa del 3% anual y se duplicará para 2040, el tamaño de los nichos aumentará tanto en números relativos como absolutos.
Es interesante observar los resultados en el aspecto de la civilización [12]:

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en el marco del enfoque propuesto, se puede argumentar que el nicho creado artificialmente en Europa, en general, se llenó y que el desarrollo futuro es brumoso y estará determinado por la situación económica. Por lo tanto, la European Photovoltaic Association predice el desarrollo de la energía fotovoltaica en un amplio rango: 120-240 GW para 2020 [28]. El vector de producción y uso de células solares en los últimos dos años se ha redirigido a Asia, donde durante dos años la capacidad instalada de las células solares superará la correspondiente a los países europeos.

Fuentes:
1. www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/technical/PVPS_report_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-_1992-2014.pdf
2.www.iea.org/bookshop/480-Medium-Term_Renewable_Energy_Market_Report_2014
3. www.iea.org/publications/freepublications/publication/TechnologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf
4. www.iea.org/media/workshops/2014/solarelectricity/bnef2lcoeofpv.pdf
5 . www.db.com/cr/en/docs/solar_report_full_length.pdf
6. www.agora-energiewende.org/fileadmin/downloads/publikationen/Studien/PV_Cost_2050/AgoraEnergiewende_Current_and_Future_Cost_of_PV_Feb2015_web.pdf
7. www.irena.org/DocumentDownloads/Publications /IRENA_RE_Power_Costs_2014_report.pdf
8.www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf-dateien-en/studien-und-konzeptpapiere/study-levelized-cost-of-electricity-renewable-energies.pdf
9. mitei.mit.edu/system /files/MIT%20Future%20of%20Solar%20Energy%20Study_compressed.pdf
10. data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.PETR.ZS
11. mnre.gov.in/file-manager/UserFiles/Draft-Scheme -Solar-Park-and-Ultra-Mega-Solar-Power-Projects-for-comments.pdf
12. www.iea-pvps.org/index.php?id=3&eID=dam_frontend_push&docID=2150
13. www.cnrec.org .cn / go / AttachmentDownload.aspx? id = {1056eb44-8882-46a2-b4a4-c45c42d5c608}
14. cleantechnica.com/2015/04/20/china-installed-5-04-gw-new-solar-q115
15 .www.abs.gov.au/ausstats/abs@.nsf/mf/4602.0.55.001
16. www.iea.org/publications/freepublications/publication/projected_costs.pdf
17. www.ise.fraunhofer.de/en/downloads -englisch / pdf-files-englisch / data-nivc- / electric-production-from-solar-and-wind-in-germany-2014.pdf
18. www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf -dateien-es / studien-und-konzeptpapiere / Recent-facts-about-photovoltaics-in- germany.pdf
19. www.iea.org/publications/freepublications/publication/Tracking_Clean_Energy_Progress_2015.pdf
20. www.iea.org/publications /freepublications/publication/TechnologyRoadmapEnergystorage.pdf
21. energy.gov/sites/prod/files/2013/08/f2/ElecStorageHndbk2013.pdf
22. www.researchgate.net/profile/Defne_Apul/publication/273818473_Energy_payback_time_%28EPBT%29_and_energy_return_on_energy_invested_%28EROI%29_of_solar_photovoltaic_systems_A_systematic_review_and_meta-analysis/links/55143adb0cf23203199d12be.pdf?disableCoverPage=true
23. www.eia.gov/oiaf/aeo/tablebrowser/# release = IEO2011 & subject = 9-IEO2011 & table = 25-IEO2011®ion = 0-0 & cases = Reference-0504a_1630
24. www.eia.gov/oiaf/aeo/tablebrowser/#release=IEO2013&subject=9-IEO2013&table=25-IEO2013®ion= 0-0 & cases = Referencia-d041117
25. www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo2006.pdf
26. www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo2009.pdf
27.www.bp.com/content/dam/bp/excel/Energy-Economics/statistical-review-2014/BP-Statistical_Review_of_world_energy_2014_workbook.xlsx
28. data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS.ZS

Energía solar: hoy y mañana