Energía solar en el desierto o en los techos: ¿Cuáles son las ventajas y desventajas?

Se ha dicho que se podría abastecer con energía a todo Estados Unidos con un panel solar de 100 x 100 millas cuadradas ubicado en el desierto, conectado a baterías de almacenamiento sobre una extensión de 1 x 1 millas cuadradas. Una afirmación similar señala que si se cubre un 0.6 % de las tierras del país con paneles solares, se podría abastecer de energía a todo el país. Esto equivale a 11,200,000 acres o 17,500 millas cuadradas, más de 10,000 millas cuadradas de la primera estimación. Por supuesto, estos paneles deberían ubicarse en algún punto del sudoeste, donde los niveles de irradiancia solar son elevados y la tierra puede estar más disponible:

El cuadrado azul representa el tamaño de una de esas "granjas solares" propuestas, ubicada en una región con alta irradiancia solar. A primera vista, esto podría representar un proyecto ejecutable; sin embargo, es posible que requiera un nivel de dedicación nacional semejante a los efuerzos aunados para llevar al hombre a la Luna. En este artículo analizaremos algunas de las suposiciones detrás de estas estimaciones y evaluaremos qué pasaría si se aplicara una lógica similar, no a una granja solar con base en una extensión de tierra tan grande, sino a instalaciones solares en edificios comerciales. Una única granja solar grande requeriría lo siguiente:

• Tierra disponible, sin restricciones ambientales ni de otras regulaciones.
• Infraestructura, como carreteras, mano de obra, disponibilidad de agua y materiales de construcción.
• Una red eléctrica con capacidad para distribuir energía desde lo que básicamente sería una fuente puntual, hacia todo el país.

La siguiente imagen de una granja solar ubicada en el desierto de Atacama, Chile, da una idea de la aparente simplicidad de la propuesta:

Granja solar en el desierto de Atacama al norte de Chile [/pie de foto] El concepto parece claro, pero una granja de esas características requiere recursos y una fuerza laboral que tal vez no esté inmediatamente disponible a gran escala. Como alternativa, los paneles solares en los techos representarían la distribución de producción energética a aquellos lugares que de verdad la usan. Además, desde una perspectiva regulatoria, podría ser más simple y sencillo conectar los paneles solares de los techos a la red eléctrica existente. Abajo se muestra una imagen de un gran módulo solar en el Centro de Convenciones de Atlantic City:

Sistema de paneles solares en el Centro de Convenciones de Atlantic City[/pie de foto] Para examinar la viabilidad de abastecer toda o incluso una cantidad sustancial de la demanda de electricidad de los EE. UU. a partir de energía solar, se debe conocer el tamaño de esa demanda. El primer paso implicaría examinar cuánta energía produce en realidad un panel solar comparado con el suministro de energía disponible actualmente y la demanda dentro de los EE. UU.

Demanda de electricidad en Estados Unidos

• En 2017, de acuerdo con la Administración de Información Energética de los EE. UU., se generaron 4,014,804 miles de megavatios hora de electricidad.
• La mayor demanda de esta energía fue para los siguientes usos:
  
  
  
  • Residencial: 1,378,819 miles de megavatios hora, es decir, un 34.3 %
  
  
  • Comercial: 1,349,208 miles de megavatios hora, es decir, un 33.6 %
  
  
  • Industrial: 946,443 miles de megavatios hora, es decir, un 23.6 %
  
  

Oferta de electricidad en Estados Unidos

Queda fuera del alcance de este artículo analizar completamente cómo se produce la energía en los Estados Unidos. Sin embargo, los siguientes datos son útiles a los fines del artículo:

• La central nuclear más grande de los Estados Unidos, ubicada en Palo Verde, Arizona, tiene una capacidad de 3,937 megavatios, o 34,488 miles de megavatios hora de energía por año.
• La central térmica a carbón más grande de los Estados Unidos, ubicada en Juliette, Georgia, tiene una capacidad de 3,520 megavatios, o 30,835 miles de megavatios hora de energía por año.

Los generadores a carbón y nucleares por lo general se consideran plantas de carga base, que funcionan al 100 % de su capacidad, o cercana a esta, las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Cabe destacar que las fuentes renovables representan aproximadamente un 17 % de la producción energética en los Estados Unidos, y la energía solar, apenas un poco más del 1 %.

Producción de energía con paneles solares

Granja solar en el desierto: Es difícil calcular la cantidad de energía que produce un panel solar, porque mucho depende de la ubicación y la irradiancia solar asociada, si los paneles son fijos o siguen el Sol, entre otros factores. Basándose en los datos de una amplia variedad de granjas solares existentes en los Estados Unidos, el NREL calculó que 1,000 megavatios hora de electricidad requieren, en promedio, 2.8 acres de tierra con paneles instalados. Esto significa que una sola granja con capacidad para producir toda la electricidad del país ocuparía 11,241,451 acres o 17,564.8 millas cuadradas. Volviendo al comienzo de este artículo, esta extensión sería un cuadrado de 132.5 x 132.5 millas, en consonancia con otros cálculos.

Una granja solar, ubicada en el sudoeste, y con un tamaño comprendido entre 100 x 100 y 132.5 x 132.5 millas cuadradas podría abastecer toda la demanda de electricidad en los Estados Unidos.

Paneles solares en techos comerciales: Dado que este análisis tiene una visión de futuro, en este artículo utilizaremos los paneles solares comerciales actuales para los cálculos.

• Para aplicaciones de techos comerciales, supongamos que cada panel tiene una potencia de 300 vatios, y mide 41 x 61 pulgadas (es decir, 2,500 pulgadas cuadradas o 17.36 pies cuadrados).
• La potencia nominal de los paneles se produce en el punto máximo de luz solar, que normalmente se considera entre 4 y 6 horas por día. Para este artículo, suponemos un promedio de 5 horas.
  
  
  
  • La producción de energía diaria de un solo panel será, por lo tanto, de 300 vatios x 5 horas o 1,500 vatios hora.
  
  
  • La producción de energía anual para un solo panel será, por lo tanto, de 1,500 x 365 días o 547,500 vatios hora o 547.5 kilovatios hora (kWh).
  
  
  • Los paneles solares producen corriente continua y deben estar conectados a un edificio mediante un inversor que convierte la electricidad en corriente alterna a 120 voltios. Estos son bastante eficientes, pero para dar cuenta de estas y otras pérdidas del sistema, en el artículo asumiremos una eficiencia total deL 90 % (es decir, un 10 % de la energía producida se pierde entre el panel y el usuario). Por lo tanto, el panel suministra 547.5 x 0.9 = 492.75 kWhr por año de energía útil.
  
  
• Los techos comerciales no pueden estar cubiertos con paneles solares en un 100 %. El acceso a los paneles y las unidades mecánicas sobre el techo, las áreas adyacentes a los bordes del techo y la distancia en general limitan el área útil del techo a una cobertura aproximada del 80 %.

Al examinar estas cifras para calcular cuánta energía se puede obtener de los techos comerciales encontramos lo siguiente:

• Si un panel de 17.36 pies cuadrados produce 492.75 kWh de energía útil por año, 1 megavatios hora/año (MWhr/año) requerirán un área de techo de (17.36/492,750) x 1,000,000/80 % = 44.0589 pies cuadrados.

Techos comerciales

Una opción posible en este análisis del impacto potencial de los módulos solares para techos comerciales es evaluar cuánta superficie de techo se instala cada año. En general, los paneles solares funcionan mejor sobre edificios de gran superficie, como las mega tiendas.¬† Es habitual que en este tipo de edificios se utilicen membranas termoplásticas que, por consiguiente, son plataformas ideales para las instalaciones de paneles solares. Además, las membranas termoplásticas representan más del 60 % del mercado de techos comerciales y, por ende, son la base de esta primera opción.

• El área anual de la membrana termoplástica instalada es de aproximadamente 2,750 millones de pies cuadrados.
• Si el módulo solar fue instalado en esta área del techo, y utilizamos los datos calculados anteriormente, podríamos obtener 2,750 x 10⁶ pies cuadrados de techo/44.0589 pies cuadrados/MWhr = 62,416.4 MWhr de energía por año.
• Esto representa el equivalente de:
  
  
  
  • Más de 2 de las centrales térmicas a carbón más grandes de los Estados Unidos (con una capacidad de 30,000 MWhr por año).
  
  

Si se instalaran paneles solares en todos los techos termoplásticos nuevos de forma anual, sería el equivalente a construir dos de las plantas generadoras convencionales más grandes por año.

Una opción alternativa sería tener en cuenta el área total existente de techos comerciales de pendiente baja de los Estados Unidos. Existen pocas estimaciones, pero un estudio del NREL publicado en 2016 sugiere lo siguiente:

• Los edificios medianos, con áreas de techo de entre 5,000 y 25,000 pies cuadrados representan un área total de techo de 13,132 millones de pies cuadrados.
• Los edificios de gran tamaño, con áreas de techo que superan los 25,000 pies cuadrados, representan un área total de techo de 21,420 millones de pies cuadrados.

En su conjunto, esto sugiere que, excluyendo los edificios pequeños, el área total de techos con pendiente baja en los Estados Unidos es de 34,552 millones de pies cuadrados o 1,239.38 millas cuadradas. Esto incluye todos los tipos de membrana. ¿Cuánta energía podría producirse si se instalaran paneles solares en todos estos techos? Basándonos en las mismas suposiciones planteadas y en los paneles solares actuales, determinamos lo siguiente:

• Si se instalara un panel solar en esta área de techo, posiblemente proporcionaría 34,552 x 10⁶ pies cuadrados de techo/44.0589 pies cuadrados/MWhr = 784,000 miles de MWhr/año de energía.
• Esto sería equivalente a un 19.5 % de la demanda total anual de electricidad en los Estados Unidos.
• Sería equivalente a un 58.1 % de la demanda total comercial de electricidad en los Estados Unidos.

Ventajas de la energía solar en techos

La energía solar en techos puede producir energía que se aproxima a la demanda real. Como se mostró anteriormente, requerir paneles solares en todos los techos termoplásticos nuevos, o mejor aún, en todos los techos comerciales medianos y grandes existentes, sería muy útil para satisfacer la demanda de electricidad en los Estados Unidos. La instalación de paneles solares en todos los techos termoplásticos nuevos sería el equivalente a agregar dos centrales convencionales grandes por año. La energía solar producida a partir de los paneles instalados en todos los techos con pendiente baja medianos y grandes cubriría el 58 % de la demanda comercial de los Estados Unidos.¬† Hay que admitir que podría llevar un par de décadas instalar los paneles solares en los techos mientras renovamos el techado de nuestros edificios, pero la oportunidad de contar con fuentes de energía renovables a largo plazo está justamente encima de nuestras cabezas. Por último, la energía solar producida en los techos puede ser un elemento importante para mejorar la resiliencia de un edificio. Cuando se combina con el almacenamiento eléctrico, podría utilizarse para alimentar partes críticas de la infraestructura edilicia por períodos significativos durante una interrupción del suministro eléctrico causada por una tormenta.