Evaluación del rendimiento y del impacto ambiental de los paneles solares

Autores: Ing. Antonio Carlos Rivera Corona, Dr. Pedro Ponce Cruz.

Correo electrónico: A01337294@tec.mx, pedro.ponce@tec.mx

Departamento: Ingeniería Mecatrónica

Grupo de enfoque (investigación): Innovación de productos

Escuela: Tecnológico de Monterrey, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Ciudad de México, México.

Palabras Clave: #Contaminación #Electricidad #Energía #EnergíasRenovables #IoT #MedioAmbiente #Monitoreo #PanelSolar #Sensores 

La demanda eléctrica mundial ha ido aumentando con el paso de los años, pues tan solo entre 1980 y 2019 esta demanda se ha triplicado [12] y se estima que continúe creciendo en los años venideros debido al crecimiento del equipo industrial utilizado en las empresas y a los dispositivos de electrónica de consumo en el sector residencial y comercial. Para satisfacer estas demandas energéticas, las compañías generadoras de electricidad han utilizado durante varios años distintos recursos naturales para lograr este objetivo a los cuales se les conoce como combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) y son la principal fuente de energía actualmente. Por poner solamente un ejemplo, durante el año 2021 el gas natural como fuente energética representó un 32% del total de la electricidad generada en los Estados Unidos, el carbón un 26%, la energía nuclear un 22% y el petróleo tan solo el 1% mientras que las energías renovables (tales como la solar, hidroeléctrica, eólica, geotérmica y biomasa) un 19% [11]. No obstante, el principal problema con el uso de los combustibles fósiles es que son la causa principal de las emisiones de gas de efecto invernadero que provocan el calentamiento global, y por tal motivo, este es un camino insostenible a largo plazo.

Afortunadamente el desarrollo e investigación de energías limpias ha ido acrecentándose con el paso de los años, tanto así que en Estados Unidos se estima que para el año 2050 el petróleo ocupe el primer lugar como fuente de energía, seguido del gas natural y en tercer lugar se posicionarían las energías renovables dentro de las cuales, la energía solar se destaca [2], pues tan solo del año 2016 al 2026, se estima un crecimiento del 105% de instaladores de paneles solares en dicho país [10].

La energía solar es considerada como una energía no contaminante ya que cuando un panel se encuentra en funcionamiento, la generación de energía no libera contaminantes tal y como lo hace la quema de los combustibles fósiles, sino que solamente se requiere de la irradiancia del sol para producir electricidad, Sin embargo, esto no significa que todo el ciclo de vida de un panel solar esté libre de contaminación y sea completamente inofensivo al medio ambiente. En la etapa de fabricación, además de la generación de dióxido de carbono, se liberan componentes que son altamente tóxicos y que dañan al ecosistema, el principal de ellos es el tetracloruro de silicio; aunado a esto, si al final de la vida útil de un panel no es desechado ni reciclado correctamente, esta misma sustancia genera vapores que son nocivos a la salud y provocan daños en el suelo en donde éstos se desechan incorrectamente. Por otro lado, distintas modificaciones en el ambiente pueden ocurrir debido a la presencia de estos dispositivos, algunos de los cambios más destacados son la variación de la temperatura y de la humedad en el aire, alteraciones en la humedad del suelo y un aumento de calor en el área de instalación, lo cual puede afectar a la flora cercana del lugar y en algunos casos, a la fauna [3].

Los impactos en el ambiente dependen en gran medida del tipo de instalación utilizada; existen principalmente dos: El formato “Roof-Mounted”, que se muestra en la Figura 1, se coloca en el techo de una casa o de un edificio mientras que “Open-Rack”, ilustrado en la Figura 2, se encuentra en el suelo montado directamente en una estructura mecánica que eleva y sostiene el panel. [7].

El formato “Open-Rack” es utilizado cuando se desea instalar una granja solar (Ver Figura 3), es decir, grandes cantidades de celdas solares instalados en un extenso terreno y que generan grandes cantidades de energía debido a la alta concentración de luz solar en esta zona además de que no hay obstáculos que la bloquen.

No obstante, este tipo de instalación tiene mayores impactos ambientales debido a su cercanía con el suelo y a la gran cantidad de paneles que se colocan, por tal motivo, es más probable que haya alteraciones en el ambiente como las que se mencionaron anteriormente. Por otro lado, en el caso de la instalación en los techos de los inmuebles, el impacto repercute principalmente en la construcción y en el propio techo debido a la alta concentración de calor que se acumula en esa área, lo cual puede provocar inconformidad a los usuarios además de poder provocar un aumento en la temperatura al interior de la casa [13].

Estos impactos en el ambiente y en las construcciones no son tomados en cuenta de manera primordial cuando se planea instalar tecnología solar en un determinado sitio, sino que se prioriza la cantidad de energía que el panel será capaz de entregar ya sea en el hogar o en una granja solar. Por un lado, se considera la irradiancia del sol a lo largo del día en esa región, las condiciones climatológicas de la zona, así como las estructuras que pudieran provocar sombra, tales como árboles, edificios, letreros espectaculares, entre otros [7].

Una vez instalados y cuando los paneles son capaces de transformar la energía solar en energía eléctrica, éstos tienen un seguimiento y supervisión constante con el fin de poder evaluar su rendimiento actual y así poder detectar fallas que podrían repercutir en la generación eléctrica con el objetivo de poder corregir los fallos lo más rápido posible _[1]. Este monitoreo toma en cuenta distintas variables ambientales que son cuantificadas con ayuda de sensores que están incluidos en la instalación y cuyos valores se envían por internet utilizando técnicas de IoT para el futuro análisis del rendimiento del panel. Algunas de las principales variables que tienen un efecto son, por ejemplo, la temperatura, cuyo aumento provoca que el rendimiento y la eficiencia de la celda solar disminuya _[9]. Lo mismo ocurre con el aumento de la humedad y con las altas concentraciones de polvo que pueden presentarse, así como la presencia de lluvia, la cual tiene un impacto positivo dado que ayuda a remover partículas que pudieran estar en la superficie de los paneles interfiriendo en la absorción de la luz solar.

Todos estos factores mencionados, están estrechamente relacionados con la cantidad de energía generada; no obstante, se requieren de otras mediciones que permitan cuantificar y dimensionar el impacto ocasionado alrededor. Para ello, se requieren de mediciones adicionales tales como la temperatura y la humedad del aire, así como la humedad en el suelo. Estas variables ambientales deben medirse en el sitio de instalación antes de colocar los paneles con el objetivo de establecer un punto de referencia inicial, de manera que, durante el funcionamiento normal de las celdas, se puedan medir continuamente estas mismas variables para así poder determinar si se ha generado o no un cambio considerable en el ambiente.

En resumidas cuentas, debe existir un equilibrio entre la generación de energía y el impacto ambiental que se tendría como consecuencia de ello (Ver Figura 4). Pudiera resultar fácil tomar un país como México, que es considerado como uno de los países con mayor potencial fotovoltaico _[8], y cubrir la mayor parte de este territorio con paneles solares con el fin de generar enormes cantidades de energía que pudieran satisfacer las necesidades de los ciudadanos, pero si esto sucediera, el término “energía limpia” ya no tendría sentido alguno, puesto que no se estaría considerando el impacto que se causaría al ecosistema, eso sin contar la gran cantidad de desechos tóxicos que se tendrían al cabo de unos años.

Referencias

[1] Aghaei, M., Kumar, N. M., Eskandari, A., Ahmed, H., de Oliveira, A. K. V., & Chopra, S. S. (2020). Chapter 5—Solar PV systems design and monitoring. In S. Gorjian & A. Shukla (Eds.), Photovoltaic Solar Energy Conversion (pp. 117–145). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819610-6.00005-3
[2] Annual Energy Outlook—U.S. Energy Information Administration (EIA). (n.d.). Retrieved 1 May 2022, from https://www.eia.gov/outlooks/aeo/index.php
[3] Armstrong, A., Waldron, S., Whitaker, J., & Ostle, N. J. (2014). Wind farm and solar park effects on plant–soil carbon cycling: Uncertain impacts of changes in ground-level microclimate. Global Change Biology, 20(6), 1699–1706. https://doi.org/10.1111/gcb.12437
[4] Imagen gratis en Pixabay—Alternativa, Celda, Limpio. (n.d.). Retrieved 25 July 2022, from https://pixabay.com/es/photos/alternativa-celda-limpio-ecol%C3%B3gico-21761/
[5] Imagen gratis en Pixabay—Granja Solar, Paneles Solares. (n.d.). Retrieved 25 July 2022, from https://pixabay.com/es/photos/granja-solar-paneles-solares-6619504/
[6] Imagen gratis en Pixabay—Paneles Solares, Calefacción. (n.d.). Retrieved 25 July 2022, from https://pixabay.com/es/photos/paneles-solares-calefacci%C3%B3n-1477987/
[7] Kumar, N. M., Chopra, S. S., de Oliveira, A. K. V., Ahmed, H., Vaezi, S., Madukanya, U. E., & Castañón, J. M. (2020). Chapter 3—Solar PV module technologies. In S. Gorjian & A. Shukla (Eds.), Photovoltaic Solar Energy Conversion (pp. 51–78). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819610-6.00003-X
[8] Mapas de recursos solares de Mexico. (n.d.). Retrieved 1 May 2022, from https://solargis.com/es/maps-and-gis-data/download/mexico
[9] Rahman, M. M., Hasanuzzaman, M., & Rahim, N. A. (2015). Effects of various parameters on PV-module power and efficiency. Energy Conversion and Management, 103, 348–358. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.06.067
[10] Solar PV Installer & Wind Turbine Tech Are Fastest Growing Occupations in US – CleanTechnica. (n.d.). Retrieved 1 May 2022, from https://cleantechnica.com/2019/01/26/solar-pv-installer-wind-turbine-tech-are-fastest-growing-occupations-in-us/
[11] U.S. energy facts explained—Consumption and production—U.S. Energy Information Administration (EIA). (n.d.). Retrieved 1 May 2022, from https://www.eia.gov/energyexplained/us-energy-facts/
[12] World electricity consumption. (n.d.). Statista. Retrieved 28 April 2022, from https://www.statista.com/statistics/280704/world-power-consumption/
[13] 4 Roof Damages Caused by Solar Panels (7 Ways to Avoid Them)—Electric Baron. (2020, November 1). https://electricbaron.com/roof-damages-caused-by-solar-panels-ways-to-avoid-roof-damages/

ANEXO

Resumen:

Con el aumento de la demanda energética, distintas soluciones han sido propuestas para satisfacer las necesidades de los sectores de consumo energético. Una de estas propuestas es la implementación de la energía solar mediante el uso de paneles instalados en techos de casas o edificios, así como en extensos terrenos en campo abierto, también conocidos como granjas solares. Sin embargo, las preocupaciones fundamentales al instalar uno o varios paneles se basan primordialmente en las variables que pueden afectar la eficiencia y la cantidad de energía que puede entregar, de manera que el impacto ambiental no es tomado en cuenta prioritariamente al planificar una instalación de este tipo. El daño al ecosistema se observa en los cambios de temperatura y de humedad en el aire, así como en la alteración de la humedad de la tierra en donde se encuentran las celdas instaladas, lo cual provoca afectaciones en la flora y fauna cercana. Por lo tanto, para que el término “energía limpia” tenga sentido, es indispensable encontrar un punto de equilibrio entre la generación de energía y el impacto que se genera al medio ambiente.

Importancia de investigación:

Cuando se habla de energía solar o paneles fotovoltaicos, generalmente se piensa en una fuente 100% limpia que, a diferencia de los combustibles fósiles, no libera gases nocivos que contribuyen al actual cambio climático y al calentamiento global. Es en la fabricación de los paneles en donde se presentan notables emisiones de dióxido de carbono y en la liberación de un componente sumamente tóxico llamado tetracloruro de silicio. De igual forma, si al final de la vida útil de un panel éste no se deshecha correctamente, contaminará principalmente el suelo y el agua en donde fue arrojado.

Si bien es cierto que durante el funcionamiento normal de los paneles no se generan contaminantes, es decir, en la transformación de energía solar a energía eléctrica, existen otros factores que provocan cambios en el medio ambiente causando daños a los seres vivos cercanos. Estos daños ocasionados a los ecosistemas usualmente no son mencionados cuando se habla de energía solar y se suele pensar que no hay riesgos al utilizar este tipo de tecnología, pero esto no es del todo cierto. Es por ello que se debe continuar investigando esta área, de manera que se pueda desarrollar tecnología o bien, metodologías que permitan tomar decisiones informadas sobre el uso de los paneles solares siempre tomando nuestra estrecha relación con la naturaleza.

Disciplina: Ingeniería y Ciencias

Área: Ingeniería, Energías Renovables, IoT

Industria: Sector residencial, industrial y comercial