Los rayos que se pagan

Los rayos que se pagan: ¿Por qué los rayos solares son una fuente de energía irrefrenable?
Los rayos que se pagan

La energía solar acaparará el 69% : un estudio reciente realizado por la Universidad Tecnológica de Lappeenranta (LUT) de Finlandia señala que para 2050 será factible suministrar el 100% de la energía necesaria con energía renovable y que la energía solar fotovoltaica representará el 69% de toda la energía. Ante este panorama audaz y optimista, ¿cuáles serán las premisas para alcanzar este objetivo?

Christian Breyer, quien lideró la investigación en LUT, esquematiza el proceso de modelado, describiendo cómo triunfa la energía solar y explica por qué la energía fotovoltaica se convertirá en la fuente de energía de más bajo costo y difícil de ignorar en un futuro cercano, más allá de que a los políticos o grandes empresas les guste o no.

Incluso los más críticos acerca de la energía solar y partidarios del uso de petróleo admitirán a regañadies que el Sol es la base de toda la vida en el planeta. Sin embargo, este simple hecho ha sido una de las razones principales por las que ha tardado tanto en tomarse en serio su poder: es una fuente de energía que abarca todo, es ineludible, inevitable y necesaria. Al ser demasiado grande para fallar nadie le dio la debida atención.

Las industrias que surgieron del aprovechamiento de la potencia del sol no se limitan exclusivamente a la energía. Todas las actividades agrícolas, la agricultura y la producción de alimentos son industrias de energía solar. También lo es la moda, el fútbol e incluso las industrias de combustibles fósiles. El sol lo potencia todo. El hecho de que llega suficiente energía solar a la Tierra en una hora para alimentar al planeta durante todo un año es una de las teorías clásicas que repiten los alumnos universitarios ansiosos por obtener una calificación 'A' en sus tareas de física.

Y esta es una de las razones por las que la energía fotovoltaica a menudo ha fallado en captar oportunidades en el escenario de juego. La energía fotovoltaica se consideró durante mucho tiempo como una fuente de energía de nicho; una "alternativa" a las principales fuentes de energía tales como el carbón, el gas y la energía nuclear. Mientras tanto, todos y cada uno de los que se desempeñan en el sector de energía se han mantenido muy conscientes de que los recursos con los que están trabajando son finitos, y esas "alternativas" deben incorporarse a la corriente principal en algún momento.

Ese momento es ahora. En los últimos años, el crecimiento récord de la energía solar ha tenido lugar en un contexto de incertidumbre política y de mercado, la caída de los precios del gas y del petróleo y los precios irregulares de la misma energía fotovoltaica. Sin embargo, según SolarPower Europe, en 2017 las nuevas instalaciones a nivel mundial alcanzaron los 98,9 GW de capacidad fotovoltaica, lo cual representa un aumento anual del 29,3%, en comparación al 2016 (cuando la capacidad acumulada de energía solar fotovoltaica alcanzó los 303 GW; véase el gráfico). Esta cifra representa el 34% de la capacidad total de energía nueva que aprovechan las tecnologías convencionales y renovables, más que cualquier otra, y es la continuación de una tendencia mundial ascendente de varias décadas.

Fig 1 Figura.1: Capacidad total de energía renovable instalada en 2016 a nivel mundial (izquierda) y participación en las tecnologías de generación de energía instaladas anualmente a nivel mundial entre 2010 y 2014 (derecha). Fuente: Universidad Tecnológica de Lappeenranta (LUT)

Sin embargo, a pesar de años de pruebas que demuestran que la energía fotovoltaica siempre es más barata, mejora cada vez y gana popularidad, los analistas globales encargados de rastrear y pronosticar el suministro de energía en el futuro subestiman el potencial de la energía solar.

¿Por qué tan conservador?

La Agencia Internacional de la Energía (AIE) es una organización respetada que publica informes y pronósticos periódicos sobre todas las fuentes de energía, y tiene muchos años de datos que muestran lo consistente que ha sido el aumento de la energía solar. De hecho, en el último informe publicado en noviembre de 2017, basado en datos globales de 2015, la AIE descubrió que la energía solar superó al carbón en crecimiento neto, y junto con la energía eólica y otras energías renovables representaron 2/3 partes de la capacidad de energía nuevamente agregada ese año.

Al revisar sus datos, la AIE podría hacer pronósticos positivos sobre el crecimiento futuro de la energía solar fotovoltaica. Pero la AIE sigue siendo conservadora en lo que respecta a la energía solar.

Como un ejemplo, debido a que en 2017 se agregaron casi 100 GW de energía fotovoltaica, la AIE esperaría básicamente el mismo crecimiento este año. Sin embargo, después de años de instalaciones récord, la AIE siguió publicando informes que pronostican capacidades de instalaciones más bajas para el año siguiente. Aún en el enfoque más progresivo de la AIE, describió en su Panorama de Desarrollo Sostenible, que la capacidad fotovoltaica añadida nuevamente cada año no supería los 140 GW, a pesar de que el promedio de crecimiento anual de la energía fotovoltaica ha sido 44% en la última década. Sin embargo, una simple mirada al desarrollo solar a lo largo de los últimos 20 años demuestra que, para ser realistas, muchos pronósticos sobre la energía solar no solo podrían, sino que definitivamente deberían ser más optimistas.

Un enfoque más positivo

No sólo AIE mantiene su posición conservadora cuando se trata de informar sobre el potencial de la energía solar. Tras la reciente decisión del gobierno chino de reducir los subsidios y el apoyo a su industria fotovoltaica nacional, GTM Research pronosticó una caída del 34% en los precios de los módulos en la seguda mitad del año 2018. Queda por ver si eso es preciso o no, pero tal negatividad impulsiva es común en la energía solar.

Es por eso que los resultados del estudio de modelado de energía renovable realizado por la Universidad Tecnológica de Lappeenranta (LUT) en Finlandia desencadenaron un gran escepticismo inicial, incluso entre los investigadores del estudio. El modelo, que es el único que funciona con resolución horaria completa alrededor del planeta con una resolución espacial adecuada, descubrió que la energía solar representará el 69% del suministro mundial de electricidad para 2050, y con la combinación de otras energías renovables satisfacería el 100% de las necesidades energéticas de la Tierra .

Nos sorprendió lo altas que eran las cifras. El equipo requirió de seis meses en comprobar el resultado y, después de más de 20 actualizaciones de modelos, concluimos que, hagamos lo que hagamos, vamos a volver a obtener el 69%.

Y ahora queda absolutamente aclarado por qué obtenemos estos números.

El modelo de LUT calcula la cantidad de nuevas inversiones necesarias para la nueva potencia instalada a un costo mínimo. No dice en qué tipo de tecnología se debe invertir; más bien, se basa en la calidad de los recursos de la región. Por ejemplo, en regiones con altos niveles de irradiación solar, es probable que la energía fotovolaica sea una tecnología recomendada.

¿Cómo funciona el modelo?

El modelo utilizado por LUT divide el mundo en 145 regiones. Los datos meteorológicos reales del año 2005 fueron utilizados para cada región, en intervalos de una hora y distancias de 50 km en todo el mundo. Una curva de carga por hora y por región se superpone con la generación disponible en cada ubicación, suficiente para coincidir con la curva de carga. También se tienen en cuenta las opciones de flexibilidad, como las líneas eléctricas, el almacenamiento y la generación distribuible desde la bioenergía hasta los depósitos de agua.

Por supuesto, el modelo considera no solo la eficiencia técnica o el rendimiento técnico, sino también las cifras financieras. En otras palabras, evalúa el gasto de capital (CAPEX) y el gasto operacional (OPEX) durante la vida útil de la planta e identifica la solución de menor costo para cubrir la demanda. Las centrales eléctricas existentes seguirán siendo usadas durante la transición energética hasta que llegue el final de la vida técnica.

La cifra de 69% de cobertura solar es el resultado del mismo proceso de modelado llevado a cabo en estas 145 regiones mundiales. El modelo alcanza esta cifra de penetración porque, simplemente en muchos sitios la energía fotovoltaica tiene más sentido en términos económicos. El crecimiento de la generación fotovoltaica tomará tiempo, pero a medida que los costos continúen disminuyendo, el ritmo de aprendizaje sobre energía fotovoltaica se acelere y las tecnologías de almacenamiento mantengan el ritmo, la penetración crecerá exponencialmente. En 2030, por ejemplo, las instalaciones fotovoltaicas anuales serán de alrededor de 500 GW, en comparación con los aproximadamente 100 GW de la actualidad. En contraste, la capacidad acumulada de instalaciones que utilizan el carbón continuará disminuyendo, cayendo a 1.293 GW para 2030. La capacidad instalada de turbina de gas, por otro lado, aumentará durante la próxima década, antes de disminuir constantemente a medida que se instale más y más la capacidad de energía renovable (ver tabla de abajo).

Fig 2 Figura 2: Global - Capacidades instaladas acumuladas y generación neta de electricidad por varias fuentes de energía; capacidades instaladas y producción neta de diversas fuentes de almacenamiento durante la transición energética de 2015 a 2050 en intervalos de 5 años. La transición de turbina de gas, que utiliza el combustible de gas fósil en 2015 a biometano y Power to gas (P2G) en 2050. Fuente: Universidad Tecnológica de Lappeenranta (LUT)

El costo inicial del modelo es de 70 € /MWh, incluyendo el costo de inversión, la amortización así como costos de capital, de almacenamiento y todas las pérdidas relacionadas con la transmisión y la interrupción. Esta cifra agregada se basa en datos de 2015, y el modelo muestra descensos graduales de precios hasta el 2050, en el que el costo de la electricidad solar llega a 52 € / MWh. Básicamente, para esa fecha, cuanto más plantas solares estén instaladas, menor será el costo del sistema energético mundial.

Debido a que este modelado es conducido con resoluciones por hora, los resultados son estables. Significa que para todas las horas del año, el modelo ha asegurado un suministro de energía suficiente y más económico para la demanda en un momento dado, lo que conduce como resultado una capacidad fotovoltaica total de alrededor de 22 TW en 2050 (ver mapa).

Fig 3 Figura.3: Principales capacidades de energía renovable en 2050: Para un sistema de energía es importante saber también las condiciones climáticas para una hora en un lugar determinado. Fuente: Universidad Tecnológica de Lappeenranta (LUT)

Considerando solo las cifras numéricas, la actual capacidad fotovoltaica anual de 100 GW tendrá que aumentar para llegar a casi los 2TW anuales hasta mediados de siglo, alcanzando la línea del 69% y la expansión mundial que se observa en el mapa anterior, y para satisfacer la demanda de energía en los sectores de energía y transporte.

La función vital de almacenamiento

Aquellas personas que tienen un gran interés en ver el fracaso de la generación solar fotovoltaica se preguntarán: "¿Qué pasa cuando el sol no brilla?", Y fingirán ser sordos a la respuesta: "Ahí es donde interviene el almacenamiento asequible". El almacenamiento asequible se avecina como una gran corriente. Porque está claro que, sin el apoyo sustancial de las aplicaciones de almacenamiento, nunca podríamos ver los niveles tan altos de energía solar fotovoltaica. Por lo tanto, es una condición previa tener el acceso a un almacenamiento de bajo costo con el fin de obtener altas tasas de penetración de energía solar. De lo contrario, veríamos que la energía solar alcanzará su límite de penetración global llegando aproximadamente 20% ~ 30% del sistema de energía. Pero con el almacenamiento de la batería, será factible llegar al 70%.

Las tecnologías actuales de baterías de iones de litio muestran ritmos de aprendizaje comparables a las de la energía solar y las tasas de crecimiento también son idénticas. Como pasa en todas las tecnologías, los ritmos de aprendizaje sustanciales junto con altas tasas de crecimiento permiten rápidas reducciones de costos. La principal diferencia en este momento es que la energía fotovoltaica no está limitada de ninguna manera por la disponibilidad de materia prima. Las cosas no son tan simples con las baterías de iones de litio, para la producción de algunos tipos de estas baterías se requiere cobalto, extraído principalmente en el Congo, un país con una situación política y de seguridad a menudo inestable.

En cuanto al litio, la reserva mundial de este metal es suficiente para los próximos 20~30 años, lo que significa que, teniendo en cuenta las proyecciones del modelo de LUT para el crecimiento del dispositivos de almacenamiento, la industria tendría que adoptar procesos químicos alternativos de estas baterías a mediano plazo. Este modelo también asume que habrá un gran volumen de reciclaje de baterías, lo cual debe ser realizado sin falta.

No solo crece sino sino también evoluciona

La energía solar fotovoltaica ya forma una parte vital de la mayoría de las industrias de energía renovable de los países avanzados, pero las tasas de penetración siguen siendo bajas cuando se comparan con el gas, por ejemplo. En Alemania, la energía fotovoltaica cubre alrededor del 7% de la demanda anual de electricidad en promedio, una cifra que se eleva al 10% en Italia y hasta el 20% y el 25% en California y Hawai.

Con esta tendencia ascendente, se experimenta una mayor sofisticación en la conexión, el almacenamiento y el consumo de la electricidad solar. Las baterías, como se mencionó, son vitales para brindar flexibilidad a la red, y la energía solar fotovoltaica pronto tendrá un impacto en el sector de la calefacción. La mayor parte de la demanda de calefacción se produce en invierno, cuando evidentemente la energía solar no está en su máximo nivel. Sin embargo, una gran parte de la demanda de calefacción durante las 24 horas de los 7 días de la semana proviene del sector industrial, y esto es continuo durante todo el año. Existe una parte sustancial en la que la energía solar fotovoltaica puede contribuir en la calefacción, respaldada por el almacenamiento y aunque la modelación aún se está llevando a cabo, sin duda alcanzará la escala de TW a nivel mundial.

Un tigre está en camino

Las vueltas y los recodos forman parte natural de la industria solar. Cada vez que las aguas se ven claras, los veteranos de la industria saben que generalmente es el momento de abrochar sus cinturones de salvavidas. Proveer lo inesperado es parte inherente de la industria fotovoltaica, pero a medida que la tecnología se asiente sobre sus cimientos, esta industria en proceso de maduración será menos susceptible a los impactos imprevistos. Será capaz de resistir las fuerzas exógenas, lo que hace que la planificación para el futuro sea mucho más simple.

Esto no va a suceder de noche a la mañana. El modelo de LUT es una herramienta desapasionada que no puede predecir crisis económicas futuras, desastres ambientales o decisiones políticas desacertadas. No es una bola de cristal, pero es una herramienta más precisa e imparcial para evaluar los sistemas de energía en el futuro. Por lo tanto, con la obtención de energía solar como la fuente de electricidad más ampliable y de menor costo para el año 2050, el modelo simplemente analiza esos números sin hacer ningún comentario.

Oportunidad para Hanwha Q CELLS

La energía solar fotovoltaica ya está más allá o cerca de la paridad de red en muchos países. Hoy y en el futuro, los esfuerzos de cabildeo de la industria de la energía limpia deben volverse más sofisticados y atractivos si la energía solar desea capta la atención de los responsables de toma de decisiones políticas. Para esto, las principales compañías fotovoltaicas deben jugar un papel más responsable. Cuando se trata de la transición energética global, las compañías multinacionales necesitan difundir el mensaje global de que la adopción de energía renovable es vital y beneficiosa económica y ambientalmente. Las empresas globales como Google, IKEA y Hanwha están cada vez más obligadas a enseñar a los responsables de la toma de decisiones cuáles son las opciones del mundo real de un sistema de energía sostenible que realmente quieran ver y hacerlo en un lenguaje que puedan entender. Este intento debe contar con el apoyo de la ciencia, los movimientos medioambientales, las organizaciones de salud y otros grupos sociales. Se requiere un esfuerzo conjunto para alcanzar el destino de la energía solar: convertirse en la fuente de energía más limpia, barata y popular jamás conocida. Ahora es el momento de actuar.

Christian Breyer
Christian Breyer,PhD (Tecnología), profesor de Economía Solar

Christian Breyer es profesor de Economía Solar en la Universidad Tecnológica Lappeenranta (LUT) de Finlandia. Su principal área es la investigación integrada de las características tecnológicas y económicas de los sistemas de energía renovable, especializándose en el modelado de sistemas de energía para el 100% de energía renovable tanto a escala local como global. Su equipo publicó la mayoría de los estudios sobre 100% de energía renovable para los países o regiones principales a nivel mundial. Las publicaciones sobre opciones negativas de la emisión de CO2 progresan gracias a su equipo. Trabajó anteriormente para Reiner Lemoine Institut, Berlín, y Q-Cells (ahora: Hanwha Q.Cells). Es miembro de ETIP PV, IEA-PVPS, el comité científico de la UE PVSEC e IRES, y es presidente de energías renovables del Energy Watch Group, además de ser revisor del IPCC (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático).

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