HAGÁMOSLO BIEN: La energía solar flotante podría ayudar a combatir el cambio climático
Los embalses podrían ofrecer alternativas a la tierra para albergar paneles solares. Crédito: Valentyn Semenov/Alamy
Cubrir el 10% de los embalses de energía hidroeléctrica del mundo con 'flotovoltaicos' instalaría tanta capacidad eléctrica como la que está disponible actualmente para las plantas de energía de combustibles fósiles.
Pero los impactos ambientales y sociales deben ser evaluados.
Rafael M. Almeida , Rafael Schmitt , Steven M. Grodsky , Alexander S. Flecker , Carla P. Gomes , Lu Zhao , Haohui Liu , Natán Barros , Rafael Kelman y Peter B. McIntyre
Los paneles solares deben desplegarse en vastas áreas en todo el mundo para descarbonizar la electricidad. Para 2050, Estados Unidos podría necesitar hasta 61 000 kilómetros cuadrados de paneles solares, un área más grande que los Países Bajos 1 . Las naciones con escasez de tierras, como Japón y Corea del Sur, podrían tener que dedicar el 5 % de sus tierras a granjas solares 2 .
La cuestión de dónde colocar estos paneles no es trivial. Existe una competencia feroz por la tierra que también se necesita para la producción de alimentos y la conservación de la biodiversidad. Una solución emergente es desplegar paneles solares flotantes ('floatovoltaicos') en los embalses.
La idea de la energía flotantevoltaica es muy prometedora y ha habido un rápido aumento en la instalación y las inversiones. Pero todavía hay muchas incógnitas sobre los impactos ambientales de la tecnología, junto con sus dimensiones sociales, técnicas y económicas.
Estos vacíos de conocimiento deben llenarse lo antes posible para evitar prometer demasiado los beneficios de este enfoque, o que su implementación se descarrile por obstáculos imprevistos.
ubicación, ubicación
La energía solar ocupa mucho espacio y requiere al menos 20 veces más área que las plantas convencionales de combustibles fósiles para producir un gigavatio (GW) de electricidad 3 . Se han propuesto varios entornos como lugares para instalaciones extensas, cada uno con ventajas y desventajas.
Los desiertos tienen mucho sol y no tienen mucha competencia por el uso de la tierra. Pero incluso aquí, hay compensaciones. Por ejemplo, los modelos indican que en el Sahara, el color oscuro de grandes franjas de paneles solares alteraría las temperaturas locales y los patrones de flujo de aire global de manera que podrían causar sequías en el Amazonas, pérdida de hielo marino en el Ártico y más 4 . Los desarrollos de energía solar en el desierto de Mojave en el suroeste de los EE. UU. han reducido la cubierta de cactus que son culturalmente importantes para los nativos americanos residentes 5 . Y desde el punto de vista logístico, puede ser difícil llevar energía desde regiones desérticas remotas hasta donde se necesita.
Los campos agrícolas son otra posibilidad prometedora pero los investigadores estan comenzando a comprender como afectarà la producción de alimentos al combinar paneles solares con cultivos en sistemas 'agrivoltaicos' . Las azoteas, los aparcamientos y las autopistas también son buenas opciones, pero tienen una escala limitada.
La colocación de paneles solares en los embalses podría tener muchas ventajas. Los arreglos son simplemente paneles solares convencionales instalados en flotadores que están anclados a través de líneas de amarre. La proximidad al agua tiende a mantenerlos frescos, lo que hace que los paneles flotantes sean un 5 % más eficientes que los que se encuentran en tierra 7 . Los arreglos protegen la superficie del sol y pueden reducir la evaporación, reteniendo agua para energía hidroeléctrica, agua potable y riego 8 . Los embalses de energía hidroeléctrica ya cuentan con la infraestructura de la red para transportar electricidad a los consumidores, lo que reduce los costos de transmisión. Combinar la energía solar con la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo podría abordar el doble desafío de proporcionar energía cuando la luz solar es débil y almacenarla como energía potencial en depósitos cuando la producción de energía solar es alta 9 .
Floatovoltaics también podría reducir la intensidad de carbono (emisiones por unidad de energía producida) de algunas operaciones hidroeléctricas. Muchas centrales hidroeléctricas son tan bajas en carbono como otras energías renovables. Pero para algunos proyectos, se libera tanto metano, un potente gas de efecto invernadero, de la materia vegetal sumergida en descomposición que pueden emitir tanto carbono por unidad de energía como lo hacen las centrales eléctricas de combustibles fósiles 10 . Para algunos de esos sitios, colocar paneles solares en solo el 2% de la superficie del embalse podría duplicar la producción de electricidad y, por lo tanto, reducir a la mitad la intensidad de carbono, que es una métrica importante en la política climática (consulte la información complementaria).
Los trabajadores fijan un flotador en un panel solar que se instalará en el embalse de Tengeh en Singapur. Crédito: Roslan Rahman/AFP vía Getty
Por ahora, los flotantevoltaicos constituyen una pequeña parte del panorama de la electricidad. A partir de 2020, la capacidad instalada mundial de paneles solares flotantes era de solo 3 GW 11 , en comparación con los más de 700 GW de los sistemas solares terrestres 12 . Pero el potencial de expansión es considerable, dada la gran cantidad de embalses en todo el mundo, con un área total aproximadamente equivalente a la de Francia. Cubrir el 10 % de los depósitos de energía hidroeléctrica del mundo con paneles solares flotantes instalaría casi 4000 GW de capacidad solar 9 , equivalente a la capacidad de generación de electricidad de todas las plantas de combustibles fósiles en funcionamiento en todo el mundo.
Actualmente, la energía flotante voltaica es más cara que la terrestre, pero no mucho: a pesar de la inmadurez de este nuevo mercado, el costo de equilibrio de los proyectos solares flotantes es solo entre un 4% y un 8% más alto que el de la energía solar montada en tierra 13 . El mercado está creciendo rápidamente 14 , con decenas de proyectos en marcha. Uno, programado para completarse en 2024 en Batam, Indonesia, planea producir 2,2 GW mediante el despliegue de paneles solares en 16 km 2 de agua, casi duplicando la producción mundial de energía flotantevoltaica.
La rápida ampliación de cualquier nueva tecnología energética puede tener consecuencias imprevistas. Las turbinas eólicas, por ejemplo, han dañado a pájaros y murciélagos, y su instalación en alta mar puede crear contaminación acústica para la vida marina, interferir con las migraciones de ballenas y plantear complicaciones para la pesca comercial.
Las compensaciones entre la expansión de la energía flotantevoltaica y los objetivos ambientales, sociales y económicos siguen sin explorarse en gran medida tanto en el concepto como en la práctica. Los embalses son ecosistemas artificiales que han sido criticados por una amplia gama de impactos socioambientales no deseados. Sin embargo, en muchos lugares, también proporcionan hábitats para la vida silvestre y tienen un papel importante en la pesca y la recreación. La gestión de embalses a menudo satisface muchas necesidades además del suministro de agua, como el control de inundaciones y la energía hidroeléctrica. La presión sobre los múltiples usos de los embalses se intensificará con el cambio climático.
Descuidar estas compensaciones podría aumentar la oposición pública a la energía flotante-voltaica, alargar el proceso de aprobación de impacto ambiental y disuadir a los inversores privados, lo que obstaculizaría el cambio hacia la descarbonización.
potencial nacional
Para explorar el potencial de los sistemas flotantes voltaicos, comparamos el potencial de energía solar de grandes embalses con la demanda nacional proyectada de energía solar adicional para 2050 (ver 'Potencial flotante voltaico' e Información complementaria).
Fuente: Rafael M. Almeida et al .
Descubrimos que los países de las Américas y África podrían ser los más beneficiados: incluso una baja cobertura de reservorios por flotatovoltaica debería generar toda la energía solar necesaria para descarbonizar su sector eléctrico. Brasil y Canadá podrían ser puntos críticos, cada uno de los cuales requiere solo alrededor del 5% de cobertura de sus abundantes reservas para satisfacer sus necesidades masivas de energía solar. El año pasado, Brasil implementó cambios regulatorios para ayudar a la industria a desarrollarse (ver 'El auge fotovoltaico de Brasil').
Por el contrario, a las naciones insulares y gran parte de Europa y Oriente Medio les resultará más difícil utilizar la energía flotantevoltaica para satisfacer sus necesidades, debido a las áreas de reservorio limitadas en las naciones pequeñas o áridas y a la luz solar más débil en las latitudes altas. En algunas naciones industrializadas, incluida China, la demanda de energía solar a mediados de siglo será tan alta que ni siquiera bastará con cubrir todos sus depósitos con sistemas flotantes voltaicos; también requerirán energía solar en tierra.
En lugares donde la flotación voltaica tiene sentido, la pregunta se convierte en cuánto de un reservorio determinado podría cubrirse antes de que las desventajas superen las ventajas. Más cobertura podría amplificar las dificultades logísticas, la perturbación social y los efectos secundarios ambientales. Incluso una cobertura del 2% de un reservorio de tamaño mediano de 300 km 2 seguiría siendo una huella enorme, equivalente a aproximadamente una décima parte del área de la granja solar terrestre más grande del mundo, el Parque Solar Bhadla de 2245 megavatios de la India.
Impactos ambientales
El cambio climático está calentando cuerpos de agua en todo el mundo, con impactos como la proliferación de algas nocivas 15 . Los modeladores han analizado si los sistemas flotante-voltaicos podrían contrarrestar estos efectos en lagos y otros embalses, y descubrieron que pueden hacerlo, pero solo cuando más de la mitad de la superficie del agua está cubierta 16 . Es necesario aprender más sobre las consecuencias para los procesos físicos, químicos y biológicos, la calidad del agua potable, la biota acuática, la vida silvestre terrestre y los ecosistemas río abajo.
Dar sombra a una gran parte de un embalse podría desencadenar efectos en cascada. La reducción de la luz dificulta el florecimiento de los organismos fotosintéticos, como las plantas acuáticas y el fitoplancton, y esto podría ser beneficioso en los embalses contaminados por nutrientes donde proliferan las algas nocivas. Sin embargo, la producción reducida de oxígeno podría dañar a los peces y otros animales. El agotamiento extremo de oxígeno favorecería a las bacterias productoras de metano, lo que podría contrarrestar los beneficios de la descarbonización. Si la cobertura de paneles solares es baja, estos efectos probablemente serán menores. Pero no se sabe exactamente qué tan severo será un tipo particular de impacto, o cómo variarán los impactos con la latitud, la calidad del agua y otros factores.
Se necesitan estudios de campo a gran escala para evaluar la respuesta de los ecosistemas a la cobertura flotantevoltaica. Aunque se han implementado varios sitios de prueba, como el banco de pruebas del embalse de Tengeh en Singapur, la mayoría de los esfuerzos de investigación se centran más en la viabilidad de la ingeniería que en la ecología.
Conflictos de uso
Los usos sociales de los embalses también podrían verse comprometidos por la energía flotantevoltaica. Si un proyecto interfiere con una pesquería, podría socavar los medios de subsistencia de las poblaciones ya afectadas por la construcción de embalses. Por ejemplo, el lago Kariba, en la frontera entre Zambia y Zimbabue, alberga la pesquería de embalse más productiva del mundo, y los aparejos de pesca artesanales utilizados para recolectar sardinas allí serían difíciles de desplegar cerca o debajo de grandes conjuntos de flotadores flotantes. También es difícil predecir cómo responderían al sombreado las redes alimentarias que sustentan la pesca.
Los paneles solares flotantes podrían estropear el paisaje y frenar el uso recreativo de los embalses, lo que provocaría caídas en los precios de las propiedades locales; Por lo tanto, los desarrolladores de flotatovoltaica probablemente enfrentarán la resistencia de los terratenientes cercanos. Los científicos sociales deberían catalogar tales preocupaciones y elaborar las condiciones que harían aceptables para el público los proyectos flotantevoltaicos.
Desafíos operativos
Los desafíos técnicos podrían aumentar los costos para los desarrolladores. Es probable que la contaminación biológica de los paneles por las heces de las aves y las biopelículas microbianas sea más problemática sobre el agua que sobre la tierra, y podría reducir la producción fotovoltaica. Puede ser necesaria una limpieza frecuente, lo que requiere un acceso fácil y seguro a los paneles.
Las inclemencias del tiempo son otro factor. En latitudes altas, la formación y ruptura de la capa de hielo crea fuerzas grandes e impredecibles, lo que genera desafíos operativos y de mantenimiento, como es el caso de un sistema flotantevoltaico construido en la provincia de Heilongjiang, en el noreste de China. En regiones golpeadas por ciclones tropicales, los fuertes vientos pueden crear olas y causar daños. En 2019, por ejemplo, un tifón golpeó un proyecto flotantevoltaico en la presa de Yamakura en Japón; los paneles se amontonaron en el viento y encendieron un fuego.
Los niveles de agua variables también pueden ser un desafío. Por ejemplo, los lagos Mead y Powell se encuentran a más de 40 metros por debajo de sus niveles máximos tras sequías persistentes en el suroeste de los Estados Unidos. Tales fluctuaciones podrían verse exacerbadas por el cambio climático. Las necesidades de suministro de agua potable e irrigación probablemente anularían el deseo de mantener niveles estables de agua para la energía flotantevoltaica. Las soluciones de ingeniería deben desarrollarse y tenerse en cuenta en los costos del proyecto.
Los planes para abordar estos problemas deben hacerse públicos para que la industria y la sociedad puedan avanzar rápidamente hacia prácticas mutuamente aceptables y una evaluación realista del potencial flotantevoltaico. La transparencia también impulsaría la confianza de los inversores. Los investigadores necesitan modelar los costos dadas las condiciones en cada sitio y documentar los resultados después de que los proyectos grandes entren en funcionamiento.
Avanzando
Más allá de la modelización, se necesitan estudios empíricos de campo. No es realista suponer que las compañías eléctricas harían todo este trabajo por sí mismas. Los acuerdos de licencia deben exigir el acceso de investigadores independientes y un seguimiento a largo plazo. El intercambio de lecciones será primordial a medida que la industria y los reguladores perfeccionen la orientación sobre las mejores prácticas.
La industria flotantevoltaica está lista para expandirse rápidamente. La ciencia y la política deben avanzar con la misma rapidez para garantizar que este uso de las reservas mundiales sea sostenible y equitativo.
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