La energía del sol

Tras unos días de “descanso” para hacer las últimas 6 etapas del camino de Santiago portugués por la costa, volvemos a whemotion. Hoy vamos a tocar un tema relacionado con las energías renovables y en particular la energía solar fotovoltaica.

Energías renovables

Cada día somos bombardeados en diferentes ocasiones con noticias referentes a la necesidad de incorporar fuentes de energía renovable al mix de generación en España. Forma parte de la estrategia europea y española, agenda 2030 y ELP 2050.

Las energías renovables, se llaman así al ser producidas por fuentes naturales de energía que se reponen más rápidamente de lo que se consumen. El sol y el viento pertenecen a este grupo.

La producción de energía utilizando fuentes renovables, reduce drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero hacia la atmósfera

Las mejoras en la eficiencia de dichas energías y los equipos que son necesarios para su producción, hacen que actualmente, las energías renovables sean muy competitivas con las tradicionales fuentes ligadas, principalmente, a la quema de combustibles fósiles.

Son muchos los tipos de energía renovables:

1. Energía solar (fotovoltaica y termosolar).  La fuente de energía primaria es el sol
2. Eólica, que utiliza como fuente de energía primaria el viento
3. Geotérmica, energía procedente de las capas interiores de la tierra
4. Hidroeléctrica, aprovechamiento del agua procedente de la lluvia
5. Mareomotriz,  energía que proviene de las olas (undimotriz), mareas, y gradientes de temperatura en el océano.
6. Biomasa, energía procedente de materiales orgánicos

Energía solar

Quizás sea la fuente de energía más abundante y surge como resultado de los procesos de fusión nuclear que se producen de manera continuada en el sol.

La energía del sol que llega al exterior de la atmósfera  es de 1.367W/m2. En la atmósfera se absorbe, refleja y dispersa parte de dicha radiación de manera que la radiación que llega a la superficie terrestre es de 1.000W/m2, unidad conocida como 1 sol.

La radiación, o potencia solar por unidad de superficie, es también conocida como irradiancia. Puede ser directa, difusa y reflejada. La irradiación será la energía que llega a la superficie de la tierra por unidad de superficie y considera la potencia y el tiempo de recepción de dicha radiación.

Existen dos tipos fundamentales de generación de energía procedente del sol. Termosolar y fotovoltaica.

En la energía solar térmica o termosolar, los paneles solares convierten la energía solar en energía térmica a través de un fluido caloportador. Tiene usos domésticos pero también industriales.

Existen en España varias centrales termosolares alguna de ellas con almacenamiento de energía en sales fundidas y una autonomía de 24hrs.

La energía fotovoltaica se produce en células solares agrupadas en paneles. El efecto fotoeléctrico hace que la luz solar produzca en cada célula una tensión próxima a los 0,6V que, al conectar un consumo, hace circular una intensidad de corriente.

Sistema solar fotovoltaico

Un sistema solar fotovoltaico se compone de los siguientes elementos:

1. Sistema de generación: paneles fotovoltaicos
2. Sistema de adaptación de corriente: inversor fotovoltaico
3. Sistema de acumulación: baterías o acumuladores
4. Sistema de regulación: regulador para control de la batería

Adicionalmente, son necesarias estructuras de soporte, puestas a tierra, y por supuesto cableados y protecciones eléctricas.

En instalaciones conectadas a red, se deben instalar contadores bidireccionales de energía para saber el balance de energía vertida y utilizada de la red.

Paneles fotovoltaicos

Los paneles están compuestos por una agrupación de células solares. La agrupación de células consigue paneles que producen potencias pico de hasta 600 W. Los parámetros principales para definir una panel son la potencia pico, intensidad de cortocircuito y la tensión en circuito abierto.

La mayoría de los paneles utilizados actualmente están compuestos por células de silicio. Existen paneles monocristalinos, policristalinos y de capa fina. Más recientemente se comercializan paneles con mejor respuesta frente a posibles sombras como los paneles PERC y los de célula partida. La eficiencia de un panel fotovoltaico es todavía muy baja, en el entorno del 20-25% según el tipo.

Para instalaciones fotovoltaicas, los paneles se interconectan entre sí en serie, paralelo o una combinación de ambas. 

Los dos parámetros fundamentales para la instalación de paneles solares son la orientación y la inclinación.

La orientación (acimut) es el ángulo formado por el sol y el eje sur. En el hemisferio norte, los paneles deben ser orientados al sur. Cuando por dificultades constructivas esto no se posible, se deben colocar entre este y oeste. Quizás se obtenga menor potencia pico pero posiblemente valores de producción más constantes a lo largo del día.

La inclinación viene dada por el ángulo entre el panel y la horizontal. La inclinación óptima depende de la latitud de la instalación y del tipo (aislada o conectada a red).

Inversor fotovoltaico

El inversor es el dispositivo que transforma la corriente continua producida por los paneles en alterna para el consumo. Básicamente el inversor a utilizar dependerá del tipo de instalación.

En instalaciones aisladas, sin conexión a red eléctrica, el inversor no necesitará que la onda de corriente alterna de salida sea una onda senoidal pura. Por el contrario, si la instalación es conectada a red, los operadores del mercado eléctrico obligarán a que la onda de salida tenga determinadas características de forma, amplitud y frecuencia para no distorsionar la red eléctrica.

Existen inversores multifunción que también permiten realizar la regulación de la carga y descarga de baterías en instalaciones aisladas.

Baterías (acumuladores)

Las baterías cumplen tres funciones principales: almacenamiento de energía durante un tiempo determinado (autonomía), Fijar la tensión de trabajo de la instalación y, finalmente, proporcionar una potencia instantánea elevada.

Los parámetros más importantes son la capacidad de la batería (energía disponible en una descarga completa), y la profundidad de descarga (partiendo de la batería cargada al 100%, cual es el porcentaje que se deja descargar – profundidades de descarga del 20% alargan la vida de la batería, mientras un 80% la acorta).

Regulador

El regulador tiene como función principal controlar el estado de la batería, los ciclos de carga y descarga e impide que la batería se descargue por debajo del nivel establecido.

Existen dos tipos de reguladores, PWM y MPPT. Los primeros son los más sencillos y permiten que los módulos funcionen siempre a la tensión de la batería. Los reguladores MPPT son más avanzados y permiten que la instalación trabaje siempre a máxima potencia.

Tipos de instalaciones solares fotovoltaicas

Existen tres tipos fundamentales: aisladas, conectadas a red y autoconsumo

Las instalaciones aisladas se montan bien en lugares donde no hay suministro eléctrico, en zonas rurales o agrícolas, señalización vial, alumbrado público. La instalación requiere la utilización de baterías que hay que diseñar en función de la autonomía requerida por la instalación.

Instalación fotovoltaica aislada - imagen propiedad de Sunfields España

Las instalaciones conectadas a red son aquellas en las que la energía eléctrica producida por los paneles, se inyecta directamente en la red de distribución a través de uno o varios inversores.

Instalación fotovoltaica conectada a red - imagen propiedad de Newen Solar

Las instalaciones de autoconsumo, son un caso concreto de las conectadas a red en las que la energía producida tiene doble uso. Se utiliza para consumo propio y los excedentes se inyectan y venden en la red.

Situación en España

El real decreto RD244/2019 cambió el marco regulatorio existente. Regula el autoconsumo, suprime permisos necesarios para instalaciones de menos de 15kW y permite la venta de excedentes bajo determinadas condiciones.

Recientemente, también se ha ampliado desde 500m a 2km la distancia máxima para instalaciones de autoconsumo colectivo, lo que posibilitará mayor crecimiento en este tipo de instalaciones.

El crecimiento ha sido espectacular. Según indica UNEF, en 2022 se instalaron en España 2,5GW de energía fotovoltaica para autoconsumo, un 108% de crecimiento frente a 2021. El instituto para la diversificación y ahorro energético, IDAE, estima que el autoconsumo puede llegar a 14.000MW de potencia instalada en 2030.

Poco a poco, vamos conociendo personas de nuestro entorno que han instalado placas solares con autoconsumo y posibilidad de vertido a la red de los excedentes. Con ello, han conseguido ahorros del 40% de la factura eléctrica. El retorno de la inversión realizada se produce entre 18 y 30 meses.

Finalmente, la energía solar fotovoltaica es ya un componente muy importante de la producción total en España como indican los datos de Red Eléctrica.

El primer gráfico de Red Eléctrica indica la estructura de generación eléctrica en la semana del 19 al 26 de Junio de 2023. La energía fotovoltaica alcanza valores superiores al 20% del mix global.

Estructura de generación semanal 19-26 de junio 2023 - fuente Red eléctrica

El segundo gráfico, también de Red eléctrica, muestra la generación el 25 de junio. En color naranja, la energía fotovoltaica es la principal fuente de producción entre las 8:00 y 18:00hrs, alcanzando un 41% de la producción diaria en algunos momentos de dicha franja.

Estructura de generación del 25 de junio de 2023 - fuente Red eléctrica

Existen ya células solares con eficiencias próximas al 40%. No hay duda que la energía solar fotovoltaica ha llegado para quedarse, mantendrá su ritmo de crecimiento y se va a consolidar como un importante sector de creación de empleo cualificado. 

La energía solar reducirá la dependencia energética de España y contribuirá a la reducción de costes, tan esperada, en las facturas eléctricas.

España puede generar 350.000 empleos directos y un 30% adicional en indirectos entre 2020 y 2030. Un alto porcentaje de ellos, en torno al 60% serán de carácter indefinido o permanente.

El factor social

Finalmente, la energía solar fotovoltaica permite llevar las ventajas de la energía eléctrica a poblaciones vulnerables. Proyectos como la Alianza Shire impulsan actualmente proyectos que mejoren las condiciones de vida y los servicios  en los campos de refugiados situados en Etiopia.

Empresas como Iberdrola, Acciona, Signify en colaboración con AECID (Agencia española de cooperación internacional para el desarrollo) y bajo el paraguas organizativo de itdUPM (instituto de innovación en tecnología para el desarrollo humano de la universidad politécnica de Madrid) desarrollan los proyectos con la ayuda de entidades locales en Etiopia.

El uso de un sencillo kit fotovoltaico evita uso de gasóleo, quema de rastrojos, cortes de madera etc etc que degradan el medio ambiente. La energía fotovoltaica es más sostenible y fácilmente accesible.