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Contribuci�n de los Sistemas Fotovoltaicos conectados a la Red El�ctrica para la Reducci�n de la emisi�n de CO2

 

Contribution of Photovoltaic Systems connected to the Electric Grid for the Reduction of CO2 emission

 

Contributo dos Sistemas Fotovoltaicos ligados � Rede El�trica para a Redu��o da Emiss�o de CO2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: daniel.soria1891@utc.edu.ec

 

Ciencias de la Educaci�n

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 12 de mayo de 2024 *Aceptado: 08 de junio de 2024 * Publicado: �15 de julio de 2024

 

        I.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

   III.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

Resumen

La aceleraci�n del cambio clim�tico y sus efectos adversos en el medio ambiente generaron una creciente preocupaci�n a nivel global. Este estudio analiz� la contribuci�n de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red el�ctrica (GCPV) en la reducci�n de las emisiones de CO2, destacando los beneficios econ�micos y ambientales asociados. La investigaci�n se bas� en datos emp�ricos y en una revisi�n exhaustiva de la literatura reciente. Los resultados mostraron que la capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos aument� significativamente, de 500 GW en 2019 a 1,100 GW en 2023, lo que llev� a una reducci�n de las emisiones de CO2 de 350 millones de toneladas a 770 millones de toneladas en el mismo per�odo. Este crecimiento fue impulsado por la disminuci�n de los costos de instalaci�n y mantenimiento, as� como por mejoras en la eficiencia de los m�dulos fotovoltaicos. A pesar de los beneficios, la integraci�n de GCPV present� desaf�os t�cnicos, como la intermitencia de la generaci�n solar y la necesidad de infraestructura adecuada. Las pol�ticas gubernamentales y los incentivos fiscales son pol�ticas primordiales para la adopci�n de esta tecnolog�a. Sin embargo, se requiri� una mayor inversi�n en tecnolog�as de almacenamiento de energ�a y modernizaci�n de la infraestructura de red para superar estos obst�culos.

Palabras Clave: Sistemas fotovoltaicos; Reducci�n de CO2; Energ�a solar; Eficiencia energ�tica; Infraestructura de red.

 

Abstract

The acceleration of climate change and its adverse effects on the environment generated growing concern at a global level. This study analyzed the contribution of grid-connected photovoltaic (GCPV) systems in reducing CO2 emissions, highlighting the associated economic and environmental benefits. The research was based on empirical data and a comprehensive review of recent literature. The results showed that the installed capacity of photovoltaic systems increased significantly, from 500 GW in 2019 to 1,100 GW in 2023, leading to a reduction in CO2 emissions from 350 million tons to 770 million tons in the same period. This growth was driven by decreased installation and maintenance costs, as well as improvements in the efficiency of photovoltaic modules. Despite the benefits, GCPV integration presented technical challenges, such as the intermittency of solar generation and the need for adequate infrastructure. Government policies and tax incentives are primary policies for the adoption of this technology. However, greater investment in energy storage technologies and grid infrastructure modernization was required to overcome these obstacles.

Keywords: Photovoltaic systems; CO2 reduction; Solar energy; Energy efficiency; Network infrastructure.

 

Resumo

A acelera��o das altera��es clim�ticas e os seus efeitos adversos no ambiente geraram uma preocupa��o crescente a n�vel global. Este estudo analisou o contributo dos sistemas fotovoltaicos ligados � rede (GCPV) na redu��o das emiss�es de CO2, destacando os benef�cios econ�micos e ambientais associados. A pesquisa baseou-se em dados emp�ricos e numa revis�o abrangente da literatura recente. Os resultados mostraram que a capacidade instalada dos sistemas fotovoltaicos aumentou significativamente, de 500 GW em 2019 para 1.100 GW em 2023, levando a uma redu��o das emiss�es de CO2 de 350 milh�es de toneladas para 770 milh�es de toneladas no mesmo per�odo. Este crescimento foi impulsionado pela diminui��o dos custos de instala��o e manuten��o, bem como pelas melhorias na efici�ncia dos m�dulos fotovoltaicos. Apesar dos benef�cios, a integra��o do GCPV apresentou desafios t�cnicos, como a intermit�ncia da gera��o solar e a necessidade de infraestruturas adequadas. As pol�ticas governamentais e os incentivos fiscais s�o pol�ticas prim�rias para a ado��o desta tecnologia. No entanto, foi necess�rio um maior investimento em tecnologias de armazenamento de energia e na moderniza��o das infra-estruturas da rede para ultrapassar estes obst�culos.

Palavras-chave: Sistemas fotovoltaicos; Redu��o de CO2; Energia solar; Efici�ncia energ�tica; Infraestrutura de rede.

 

Introducci�n

La aceleraci�n del cambio clim�tico y sus efectos adversos en el medio ambiente han generado una preocupaci�n global sin precedentes. Entre los principales factores responsables de este fen�meno se encuentran las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), particularmente el di�xido de carbono (CO2), derivadas principalmente de la quema de combustibles f�siles para la generaci�n de energ�a. En respuesta a esta problem�tica, se ha puesto un �nfasis considerable en la transici�n hacia fuentes de energ�a renovable, que presentan un impacto significativamente menor en t�rminos de emisiones de CO₂. Entre estas fuentes, la energ�a solar fotovoltaica (PV) ha emergido como una de las tecnolog�as m�s prometedoras [1]- [3].

Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red el�ctrica (Grid-Connected Photovoltaic Systems, GCPV) representan una de las soluciones m�s eficaces para la reducci�n de las emisiones de CO₂. Estos sistemas permiten convertir la energ�a solar en electricidad utilizable, que puede ser directamente inyectada a la red el�ctrica [4]- [6]. Esta capacidad no solo contribuye a la diversificaci�n de la matriz energ�tica, sino que tambi�n ofrece un medio sostenible para satisfacer la creciente demanda de energ�a. A medida que los costos de instalaci�n y mantenimiento de los sistemas PV han disminuido y la eficiencia de los m�dulos ha mejorado, la adopci�n de esta tecnolog�a ha aumentado exponencialmente en todo el mundo [7], [8].

El impacto de los sistemas GCPV en la reducci�n de emisiones de CO₂ es multifac�tico y depende de varios factores, incluidos la ubicaci�n geogr�fica, la irradiancia solar disponible, el dise�o del sistema y las pol�ticas de apoyo a las energ�as renovables [9]-[11]. Adem�s, la integraci�n de sistemas PV en la red el�ctrica presenta una serie de desaf�os t�cnicos y econ�micos que deben ser abordados para maximizar sus beneficios. Entre estos desaf�os se encuentran la intermitencia de la generaci�n solar, la necesidad de infraestructura de almacenamiento de energ�a y la gesti�n de la estabilidad de la red [12], [13].

La energ�a solar fotovoltaica se destaca por su capacidad para generar electricidad sin emisiones directas de GEI. Seg�n la Agencia Internacional de Energ�a (AIE), la generaci�n de electricidad a partir de fuentes renovables, incluida la solar, ha evitado la emisi�n de aproximadamente 2.1 gigatoneladas de CO₂ en 2019 [14]. La energ�a solar, en particular, ha mostrado un crecimiento notable, contribuyendo significativamente a la reducci�n de la dependencia de los combustibles f�siles [15], [16].

El potencial de la energ�a solar es inmenso, ya que la Tierra recibe una cantidad de energ�a solar anual que es varias veces superior al consumo mundial de energ�a. Sin embargo, aprovechar eficientemente esta energ�a requiere tecnolog�as avanzadas y una infraestructura adecuada. Los sistemas GCPV son una manifestaci�n de c�mo la tecnolog�a puede ser utilizada para capturar y convertir la energ�a solar en electricidad, que luego puede ser utilizada para satisfacer diversas necesidades energ�ticas [17].

 

En las �ltimas dos d�cadas, la tecnolog�a fotovoltaica ha experimentado avances significativos. Las mejoras en la eficiencia de conversi�n de los m�dulos PV, la reducci�n de costos y el desarrollo de nuevas tecnolog�as de materiales han sido factores clave en la popularizaci�n de los sistemas GCPV [18]. La eficiencia de los m�dulos PV comerciales ha aumentado desde alrededor del 15% en los a�os 2000 hasta m�s del 22% en la actualidad, con algunos m�dulos de laboratorio superando el 26% [19].

Adem�s, el desarrollo de tecnolog�as de almacenamiento de energ�a, como las bater�as de iones de litio, ha mejorado la capacidad de los sistemas PV para suministrar energ�a de manera confiable incluso en ausencia de luz solar. Estos avances permiten una integraci�n m�s efectiva de los sistemas GCPV en la red el�ctrica, proporcionando una fuente de energ�a m�s estable y predecible [20].

La adopci�n de sistemas GCPV ha crecido significativamente en los �ltimos a�os. Pa�ses como Alemania, China, Estados Unidos e India lideran el despliegue de energ�a solar, con grandes instalaciones de parques solares y sistemas distribuidos en techos residenciales y comerciales [21]. En 2019, la capacidad instalada global de energ�a solar fotovoltaica super� los 600 gigavatios (GW), y se espera que esta cifra contin�e aumentando a medida que los costos de la tecnolog�a disminuyan y las pol�ticas de apoyo se fortalezcan [22].

Las pol�ticas gubernamentales han desempe�ado un papel crucial en la promoci�n de la energ�a solar. Los incentivos fiscales, los subsidios y los programas de tarifas de alimentaci�n han facilitado la adopci�n de sistemas GCPV en muchos pa�ses. Adem�s, los compromisos internacionales para reducir las emisiones de GEI, como el Acuerdo de Par�s, han impulsado a las naciones a invertir en energ�as renovables para cumplir con sus objetivos clim�ticos [23].

A pesar de los beneficios evidentes, la integraci�n de sistemas GCPV en la red el�ctrica presenta varios desaf�os. La intermitencia de la generaci�n solar es uno de los principales problemas, ya que la producci�n de electricidad depende de las condiciones clim�ticas y la hora del d�a [24]. Esto puede causar fluctuaciones en la oferta de energ�a, lo que requiere soluciones de almacenamiento de energ�a y gesti�n de la demanda para mantener la estabilidad de la red [25].

Otro desaf�o importante es la infraestructura de la red el�ctrica. Las redes tradicionales no est�n dise�adas para manejar la naturaleza descentralizada y variable de la generaci�n de energ�a solar. La modernizaci�n de la infraestructura, incluida la implementaci�n de redes inteligentes y sistemas de gesti�n avanzada, es esencial para facilitar la integraci�n de sistemas GCPV a gran escala [26].

Adem�s, los costos iniciales de instalaci�n de sistemas PV, aunque han disminuido, siguen siendo una barrera para muchos consumidores y empresas. Las pol�ticas de financiamiento y los modelos de negocio innovadores, como los contratos de compra de energ�a y las cooperativas solares, pueden ayudar a superar estas barreras econ�micas [27].

La literatura acad�mica y t�cnica ha propuesto diversas soluciones para abordar los desaf�os de la integraci�n de sistemas GCPV. Entre ellas se incluyen el desarrollo de tecnolog�as de almacenamiento de energ�a m�s eficientes, la implementaci�n de sistemas de gesti�n de la demanda y la creaci�n de pol�ticas regulatorias que fomenten la inversi�n en infraestructura de red moderna [28].

Un enfoque prometedor es el uso de sistemas h�bridos que combinan energ�a solar con otras fuentes renovables, como la e�lica, para proporcionar un suministro de energ�a m�s constante [29]. Adem�s, la investigaci�n en tecnolog�as de conversi�n y almacenamiento de energ�a, como las bater�as de flujo y los super - capacitores, contin�a avanzando, ofreciendo potenciales soluciones para mejorar la estabilidad y eficiencia de los sistemas GCPV [30].

 

Metodolog�a

Para evaluar la contribuci�n de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red el�ctrica en la reducci�n de las emisiones de CO₂, se llev� a cabo una investigaci�n detallada basada en el an�lisis de datos emp�ricos y la revisi�n de literatura publicada entre 2019 y 2024. La metodolog�a de este estudio se dividi� en las siguientes etapas que se aprecian en la figura 1.

 

Figura 1: Metodolog�a aplicada

Recopilaci�n de Datos

Los datos utilizados en este estudio fueron recolectados de diversas fuentes, incluyendo art�culos cient�ficos, informes t�cnicos, y bases de datos de agencias internacionales de energ�a. Se priorizaron las publicaciones recientes para asegurar la relevancia y actualidad de la informaci�n. Las principales fuentes incluyeron la Agencia Internacional de Energ�a (IEA), la Administraci�n de Informaci�n Energ�tica de Estados Unidos (EIA), y el Centro Com�n de Investigaci�n de la Comisi�n Europea.

Se obtuvieron datos sobre la capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos, la producci�n anual de energ�a solar, la eficiencia de los m�dulos fotovoltaicos, y las emisiones de CO₂ evitadas. Adem�s, se recopilaron datos econ�micos sobre los costos de instalaci�n, operaci�n y mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos, as� como los precios de la electricidad en diferentes regiones, que se muestra en la figura 2.

 

Figura 2: Capacidad Instalada de Sistemas Fotovoltaicos por A�o

 

An�lisis de Eficiencia y Emisiones

El an�lisis de la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos se bas� en datos de rendimiento de m�dulos comerciales y proyectos instalados. Se calcularon las tasas de eficiencia promedio y las tendencias de mejora en los �ltimos a�os. Para evaluar la reducci�n de emisiones de CO₂, se utiliz� la metodolog�a del factor de emisi�n, que relaciona la cantidad de CO₂ evitada por cada unidad de energ�a generada por sistemas fotovoltaicos en lugar de fuentes convencionales de combustibles f�siles, lo resultados se observan en la figura 3.

 

Figura 3: Emisi�n de CO2 evitadas por a�o

 

Evaluaci�n del Impacto Econ�mico y Ambiental

La evaluaci�n del impacto econ�mico incluy� el an�lisis de los costos y beneficios de la implementaci�n de sistemas fotovoltaicos. Se realizaron comparaciones de costos iniciales de instalaci�n, costos de operaci�n y mantenimiento, y ahorros en costos de electricidad a lo largo de la vida �til de los sistemas. Se utiliz� el an�lisis de retorno de inversi�n (ROI) y el per�odo de recuperaci�n (payback period) para evaluar la viabilidad econ�mica, que se aprecia en la figura 4.

 

 

 

 

 

Figura 4: Costo de Instalaci�n (USD por kW)

 

El impacto ambiental se evalu� considerando no solo la reducci�n de emisiones de CO₂, sino tambi�n otros beneficios ambientales, como la reducci�n de contaminantes del aire y la disminuci�n de la dependencia de combustibles f�siles. Se utiliz� un enfoque de an�lisis de ciclo de vida (LCA) para evaluar el impacto ambiental total de los sistemas fotovoltaicos, desde la fabricaci�n hasta la disposici�n final.

 

Resultados

En el per�odo de estudio comprendido entre 2019 y 2023, se observ� un incremento significativo en la capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos conectados a la red el�ctrica. La capacidad instalada global aument� de 500 GW en 2019 a 1,100 GW en 2023. Este crecimiento refleja tanto la reducci�n de los costos de instalaci�n como la mejora en la eficiencia de los m�dulos fotovoltaicos, los cuales se aprecian en la tabla 1.

 

Tabla 1: Capacidad Instalada de Sistemas Fotovoltaicos

 

La Figura 1 mostr� la evoluci�n de la capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos por a�o. Se pudo apreciar una tendencia ascendente constante, impulsada por la disminuci�n de costos y las pol�ticas de apoyo a las energ�as renovables.

La producci�n anual de energ�a solar tambi�n mostr� un aumento considerable, correlacionado con la capacidad instalada. En 2019, la producci�n de energ�a solar fue de 700,000 GWh, aumentando a 1,540,000 GWh en 2023. Este incremento en la producci�n de energ�a contribuy� a una reducci�n significativa en las emisiones de CO2.

 

Tabla 2: Producci�n de Energ�a y Emisiones de CO₂ Evitadas

 

La Figura 2 ilustr� las emisiones de CO₂ evitadas por a�o gracias a la generaci�n de energ�a solar fotovoltaica. Los resultados indican que en 2023 se evit� la emisi�n de 770 millones de toneladas de CO2, comparado con 350 millones de toneladas en 2019.

El an�lisis de costos revel� una tendencia a la baja en los costos de instalaci�n de sistemas fotovoltaicos, lo que ha facilitado su adopci�n masiva. En 2019, el costo promedio de instalaci�n era de $1,000 USD por kW, mientras que en 2023 disminuy� a $800 USD por kW.

 

 

 

Tabla 3: An�lisis de Costos

 

Adem�s, en la Figura 3 se mostr� la disminuci�n de los costos de instalaci�n de sistemas fotovoltaicos por a�o. Esta reducci�n en costos ha sido determinante para la expansi�n del uso de energ�a solar.

La evaluaci�n del impacto econ�mico y ambiental de los sistemas fotovoltaicos indic� que, adem�s de reducir las emisiones de CO2, estos sistemas ofrecen beneficios econ�micos significativos a lo largo de su vida �til. Los an�lisis de retorno de inversi�n (ROI) y el per�odo de recuperaci�n (payback period) mostraron que la inversi�n en sistemas fotovoltaicos se recupera en un promedio de 6 a 8 a�os, dependiendo de la regi�n y las condiciones de financiamiento.

Adicionalmente, el an�lisis de ciclo de vida (LCA) revel� que los sistemas fotovoltaicos no solo reducen las emisiones de CO2, sino tambi�n otros contaminantes del aire, contribuyendo a una mejor calidad ambiental.

 

Discusi�n

La notable disminuci�n de emisiones de CO2, de 350 millones de toneladas en 2019 a 770 millones de toneladas en 2023, subraya el potencial de los sistemas GCPV para contribuir significativamente a la mitigaci�n del cambio clim�tico. Este resultado es coherente con estudios previos que han documentado la capacidad de la energ�a solar para desplazar la generaci�n de electricidad basada en combustibles f�siles, reduciendo as� las emisiones de GEI.

La adopci�n de sistemas fotovoltaicos se ha acelerado debido a la mejora continua en la eficiencia de los m�dulos y la disminuci�n de los costos de instalaci�n. Estos factores han permitido una mayor penetraci�n de energ�a solar en la matriz energ�tica global, contribuyendo a una reducci�n m�s sustancial de las emisiones de CO₂. Sin embargo, para mantener y ampliar este impacto, es crucial seguir invirtiendo en investigaci�n y desarrollo para mejorar a�n m�s la eficiencia y reducir los costos asociados.

El an�lisis econ�mico revel� que los costos de instalaci�n de sistemas fotovoltaicos han disminuido significativamente, de $1,000 USD por kW en 2019 a $800 USD por kW en 2023. Esta tendencia ha hecho que los GCPV sean una opci�n cada vez m�s atractiva tanto para los consumidores residenciales como para las empresas. Adem�s, el costo de mantenimiento tambi�n ha disminuido ligeramente, lo que reduce a�n m�s los costos operativos a largo plazo.

El retorno de inversi�n (ROI) y el per�odo de recuperaci�n (payback period) fueron favorables, con una recuperaci�n promedio de la inversi�n en 6 a 8 a�os. Esto no solo indica una viabilidad econ�mica s�lida, sino que tambi�n resalta el potencial de los GCPV para proporcionar ahorros sustanciales en costos de electricidad a largo plazo. Estas econom�as pueden ser particularmente significativas en regiones con altos costos de electricidad o donde los subsidios gubernamentales apoyan la instalaci�n de energ�as renovables.

A pesar de los beneficios claros, la integraci�n de sistemas GCPV en la red el�ctrica presenta varios desaf�os que deben ser abordados para maximizar su efectividad. La intermitencia de la energ�a solar es uno de los principales problemas, ya que la producci�n de electricidad var�a con las condiciones clim�ticas y la hora del d�a. Esta variabilidad puede causar inestabilidad en la red el�ctrica si no se gestionan adecuadamente.

Para mitigar estos efectos, es importante invertir en tecnolog�as de almacenamiento de energ�a, como las bater�as de iones de litio y los sistemas de almacenamiento en red. Estas tecnolog�as permiten almacenar el exceso de energ�a generada durante los periodos de alta producci�n y liberarla durante los periodos de baja producci�n, estabilizando as� la oferta de energ�a.

 

Conclusi�n

La implementaci�n de GCPV ha resultado en una reducci�n notable de las emisiones de CO₂, pasando de evitar 350 millones de toneladas en 2019 a 770 millones de toneladas en 2023. Este impacto positivo subraya el potencial de los sistemas fotovoltaicos para contribuir significativamente a la mitigaci�n del cambio clim�tico y la transici�n hacia una matriz energ�tica m�s sostenible.

 

La disminuci�n continua de los costos de instalaci�n y mantenimiento ha hecho que los sistemas fotovoltaicos sean cada vez m�s accesibles y rentables. El an�lisis de retorno de inversi�n (ROI) y el per�odo de recuperaci�n han mostrado que la inversi�n en GCPV es econ�micamente viable, con una recuperaci�n promedio de 6 a 8 a�os. Estos beneficios econ�micos son especialmente relevantes en regiones con altos costos de electricidad o pol�ticas de apoyo a las energ�as renovables.

A pesar de los avances, la integraci�n de GCPV en la red el�ctrica presenta desaf�os importantes, como la intermitencia de la generaci�n solar y la necesidad de infraestructura adecuada. La variabilidad en la producci�n de energ�a solar puede causar inestabilidad en la red si no se gestionan adecuadamente. Es esencial invertir en tecnolog�as de almacenamiento de energ�a y modernizaci�n de la infraestructura de red para facilitar una integraci�n m�s efectiva de los sistemas fotovoltaicos.

La mejora continua en la eficiencia de los m�dulos fotovoltaicos y el desarrollo de nuevas tecnolog�as de almacenamiento son vitales para maximizar el impacto positivo de los GCPV. Los sistemas h�bridos que combinan energ�a solar con otras fuentes renovables y las tecnolog�as emergentes, como las bater�as de flujo y los super - capacitores, ofrecen soluciones prometedoras para mejorar la estabilidad y eficiencia de la generaci�n de energ�a solar.

 

Referencias

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� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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