Sistemas fotovoltaicos: ¿autónomos
o conectados a la red?
Por Luis Hernández*
Análisis de los escenarios de los sistemas fotovoltaicos autónomos y los conectados
a redes eléctricas.
La energía fotovoltaica es la única que convierte directamente la energía solar en eléctrica. |
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Varias son sus ventajas: tecnología en pleno desarrollo y aceptada internacionalmente, altamente confiable y no contaminante, bajos costos de operación y de mantenimiento, mejor opción de las fuentes renovables de energía para introducir en el ámbito urbano, en la mayoría de los casos no posee partes móviles, permite un diseño modular aplicable en los más diversos sitios y para muy diferentes usos, fácil de producir e instalar a escala masiva, permite generar empleos con un desarrollo industrial sustentable y es el modo más directo de proveer de energía a decenas de millones de personas sin electricidad en el mundo.
Sistemas fotovoltaicos autónomos
Los sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA) están constituidos, en lo fundamental, por los paneles fotovoltaicos, que constituyen el generador de energía eléctrica, las baterías para almacenar la energía y utilizarla en los momentos de ausencia de la radiación solar, y la carga eléctrica que se va a consumir mediante equipos eléctricos domésticos y/o industriales.
Los SFA son usados frecuentemente en locaciones aisladas para producir electricidad en áreas inaccesibles para la red de potencia eléctrica y de esta forma mejorar las condiciones de salud, educación, comunicación y recreación de la población, al tiempo que favorece la agricultura y el abastecimiento de agua. Los más simples SFA usan la electricidad en forma de corriente continua y la energía es producida donde y cuando es necesaria, sin necesidad de complejos sistemas de control y transmisión de energía. Sistemas de alrededor de 500 W pesan menos de 70 kg, lo que permite una fácil transportación e instalación (Fig. 1).

Fig. 1. Sistema fotovoltaico autónomo instalado.
El almacenamiento de la energía eléctrica convierte a los SFA en una fuente fiable de energía, ya sea de día o de noche, independientemente de las condiciones climáticas. Luminarias, sensores, TV, equipos de audio, herramientas, etc., pueden ser usados con los SFA añadiéndoles baterías para el almacenamiento de energía. De esta forma se genera energía por el día y se almacena el excedente en las baterías para su uso en la noche. El número de baterías debe estar en correspondencia con el consumo energético de la carga y el número de horas de autonomía (ausencia de radiación solar) al cual se aspira. El uso de los SFA conlleva la necesaria optimización del consumo energético de las cargas. Por ejemplo, se deberán utilizar luminarias eficientes cuya relación entre lúmenes/watt sea la óptima. Los usuarios deben tener, por lo tanto, una cultura mínima del consumo energético, teniendo en cuenta las posibilidades del sistema.
El empleo de las baterías tiene dos inconvenientes fundamentales: el aumento de los costos del sistema y el hecho de que sólo puede extraerse 80% de la energía almacenada. Además de los SFA que funcionan con corriente directa (DC), existen los que trabajan con alterna (AC), donde es necesario un convertidor de DC/AC, que en la actualidad transfieren la energía eléctrica directa en alterna con una eficiencia de conversión superior a 95%.
Sistemas fotovoltaicos conectados a la red
Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica (SFCR) constituyen una de las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica que más atención están recibiendo en los últimos años, dado su elevado potencial de utilización en zonas urbanizadas próximas a la red eléctrica.
Estos sistemas están compuestos por paneles fotovoltaicos que se encuentran conectados a la red eléctrica convencional a través de un inversor, por lo que se produce un intercambio energético entre la red eléctrica y el sistema fotovoltaico. Así, el sistema inyecta energía en la red cuando su producción supera el consumo local, y extrae energía de ella en caso contrario (Fig. 2).

Fig. 2. Esquema de un sistema fotovoltaico conectado a la red.
1) Panel solar. 2) Sistema electrónico que incluye el inversor en fase
con la red, además del metro contador para determinar el consumo
y producción de energía. 3) Red eléctrica. 4) Carga eléctrica.
Los SFCR presentan una gran ventaja porque no necesitan baterías ni reguladores de carga, por lo que se convierten en sistemas más baratos. En cambio, los inversores sí requieren de mayores exigencias, ya que deberán estar conectados en fase con la tensión de la red. Uno de los factores favorables de los sistemas conectados a la red es la posibilidad de mejorar la calidad del servicio de la energía suministrada por la red, procurando que la máxima producción del sistema fotovoltaico coincida con horas en que los problemas de suministro de las compañías eléctricas sean más graves.
La energía distribuida representa ventajas en comparación con la transmisión convencional que se realiza mediante las plantas termoeléctricas. La energía generada por estas plantas es transportada a altos voltajes a través de grandes distancias, hasta una carga distribuidora donde el voltaje es disminuido para ser utilizado, provocando así considerables pérdidas de energía. En cambio, las plantas fotovoltaicas son construidas cercanas a la demanda eléctrica y son muchos más fáciles de construir, de instalar y de expandirse en la medida en que la demanda se incrementa. A lo anterior se le añade la ventaja de que no consumen combustibles fósiles, no contaminan el aire ni el agua, y son silentes.
Autónomos vs. conectados a la red
En los últimos años el empleo de los paneles solares en los techados de casas y edificios, llamados techos solares, ha promovido considerablemente el uso de la energía solar fotovoltaica debido al elevado potencial de utilización en zonas urbanizadas próximas a la red eléctrica. En el 2000 se vendieron tantos sistemas autónomos como sistemas conectados a la red. En cambio, en el 2006 las ventas de estos últimos ascendieron a 83% del total. El futuro empleo masivo de la energía solar fotovoltaica estará indisolublemente asociado a los sistemas conectados a la red (Fig. 3).

Fig. 3.Paneles solares instalados en el techo
de un edificio público de Barcelona
El fuerte incremento de las ventas de los SFCR se debe esencialmente a la política desarrollada por Japón a favor de la energía fotovoltaica y particularmente su audaz programa de techos solares. Japón produce la mitad de la energía fotovoltaica mundial y es un ejemplo de política energética a imitar; sin yacimientos de combustibles fósiles, ha logrado desarrollar las nuevas fuentes renovables de energía y una gran eficiencia energética. Basta decir que Noruega —país con petróleo y grandes recursos hídricos— y Japón poseen índices de producto interno bruto por habitante comparables y de los más altos en el planeta; sin embargo, el consumo de energía por habitante en Japón es 40% menor. Un plan acelerado a partir del presente siglo estableció la instalación de 50 000 sistemas fotovoltaicos de 10 kW en el sector residencial, en tanto sistemas de varias decenas de kilowatt han sido diseñados para el sector público e industrial, donde el gobierno japonés subsidia casi 50% del costo con los impuestos recaudados a la producción de energía eléctrica mediante carbón. Esta política ha conllevado a que si en 1997 la mitad de la energía fotovoltaica (45,6 MW) estaba instalada a la red, diez años después casi la totalidad de los 2 GW se encuentran conectados a la red.
Alemania es otro país vanguardia en la producción de energía fotovoltaica y que también posee una política que apoya la utilización de los SFCR. Por otra parte, los Estados Unidos a partir del presente siglo, con una política de desaceleración de las fuentes renovables de energía, alcanzó en el 2006 la paridad en las ventas.
En los años recientes la producción de energía fotovoltaica en China ha experimentado un gran auge, donde la mayoría de los productores aumentan su producción a razón de 50% anual. El consumo de la energía fotovoltaica ha estado dominado por la electrificación rural, independientemente de que se realizan planes de 20 MW en aplicaciones fotovoltaicas conectadas a la red para los próximos 2-4 años. El gobierno chino ha creado el programa Song Dian Dao Cun (Enviando Electricidad a las Comunidades), cuyo objetivo es instalar 100-150 MW de sistemas fotovoltaicos en comunidades rurales remotas durante el período 2005-2010, lo que constituye un salto importante si se compara con los 20 MW que estaban instalados hasta el 2002.
La India, el segundo país más populoso del planeta, promueve el desarrollo de la energía fotovoltaica. Durante los años del nuevo siglo, la dirección principal de las aplicaciones fotovoltaicas ha estado dirigida a las instalaciones en lugares remotos de difícil acceso, en donde el Gobierno subsidia hasta 90% de la inversión. Esta política continuará en los próximos años sustentándose en un plan de 1 500 MW de energía fotovoltaica para el 2022 y doblándolo a 3 000 MW para el 2027. Un pronóstico a veinte años prevé 500 MW de sistemas fotovoltaicos conectados a la red, 1 000 MW en casas rurales y
1 800 MW que se utilizarían en labores agrícolas. La India espera convertirse en uno de los líderes de la industria fotovoltaica en los años futuros.
En Cuba, las aplicaciones fotovoltaicas en el presente siglo han alcanzado importante auge con la instalación de SFA en locaciones rurales para funciones sociales, consultorios médicos, escuelas y centros culturales, que han cambiado favorablemente la vida de esas comunidades. En el archipiélago cubano más de medio millón de habitantes viven en comunidades aisladas donde la red eléctrica no llega y los SFA constituyen casi la única opción para mejorar las condiciones de vida, añadiéndole a las necesidades primarias alcanzadas otros amparos de la electricidad. También hay un amplio campo en la utilización de los SFA que aún no se ha podido explotar: su empleo en la agricultura. Aunque en los próximos años parece que las aplicaciones de los SFA prevalecerán, es muy importante iniciar en nuestro país la utilización de los SFCR, que será el futuro y permitirá el uso amplio de la energía fotovoltaica.
Perspectivas
En los años venideros seguirá un fuerte incremento en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red, debido fundamentalmente a la ampliación de las producciones en Japón, la Unión Europea y los Estados Unidos. En tanto los países subdesarrollados, China, India, Cuba, etc., apuntarán a los sistemas fotovoltaicos autónomos. Así, responder a la pregunta del título del presente artículo no requiere una disyuntiva, ambas variantes —SFA y SFCR—, son inclusivas y a corto plazo depende mucho del país donde se apliquen. El futuro de la expansión de la energía fotovoltaica estará basado en su uso como energía distribuida.
* Facultad de Física-IMRE. Universidad de La Habana.
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