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Los investigadores encuentran que los beneficios de la energía solar fotovoltaica superan los costos


Durante la última década, el costo de los paneles solares fotovoltaicos (PV) ha disminuido rápidamente. Pero al mismo tiempo, el valor de la energía fotovoltaica ha disminuido en áreas que han instalado una capacidad de generación fotovoltaica significativa. 


por Nancy Stauffer, Instituto de Tecnología de Massachusetts


Los operadores de sistemas FV a escala de servicios públicos han visto caer los precios de la electricidad a medida que más generadores FV entran en línea. Durante el mismo período de tiempo, se requirió que muchas centrales eléctricas de carbón instalaran sistemas de control de emisiones, lo que resultó en una disminución de la contaminación del aire a nivel nacional y regional. El resultado ha sido una mejor salud pública, pero también una disminución en los beneficios potenciales para la salud al compensar la generación de carbón con la generación de PV.

Dadas esas tendencias competitivas, ¿los beneficios de la generación fotovoltaica superan los costos? Responder esa pregunta requiere equilibrar los costos de capital iniciales con los beneficios de por vida de un sistema FV. Determinar lo primero es bastante sencillo. Pero evaluar esto último es un desafío porque los beneficios difieren según el tiempo y el lugar. «Las diferencias no se deben solo a la variación en la cantidad de luz solar que recibe una ubicación determinada durante todo el año», dice Patrick R. Brown PhD ’16, un postdoc en la Iniciativa de Energía del MIT. «También se deben a la variabilidad en los precios de la electricidad y las emisiones contaminantes».

La caída en el precio pagado por la energía fotovoltaica a escala de servicios públicos se debe en parte a cómo se compra y vende la electricidad en los mercados mayoristas de electricidad. En el mercado «del día a día», los generadores y los clientes presentan ofertas que especifican cuánto venderán o comprarán a varios niveles de precios a una hora determinada al día siguiente. Los generadores de menor costo se eligen primero. Dado que el costo operativo variable de los sistemas fotovoltaicos es cercano a cero, casi siempre se eligen, tomando el lugar del generador más costoso de la línea. El operador paga el precio más alto a cada generador seleccionado en el sistema, por lo que a medida que se enciende más energía FV, se generan más generadores de alto costo y el precio baja para todos. Como resultado, en el medio del día, cuando la energía solar genera más, los precios pagados a los generadores de electricidad son los más bajos.

Brown señala que algunos generadores pueden incluso ofertar precios negativos. «Están pagando efectivamente a los consumidores para que tomen su poder para garantizar que sean despachados», explica. Por ejemplo, las plantas nucleares y de carbón inflexibles pueden ofertar precios negativos para evitar eventos frecuentes de cierre y arranque que resultarían en costos adicionales de combustible y mantenimiento. Los generadores renovables también pueden ofertar precios negativos para obtener mayores subsidios que se recompensan en función de la producción. 

Los beneficios para la salud también difieren con el tiempo y el lugar. Los efectos sobre la salud del despliegue de la energía fotovoltaica son mayores en un área densamente poblada que depende de la energía del carbón que en una región menos poblada que tiene acceso a gran cantidad de energía hidroeléctrica limpia o eólica. Y los beneficios locales para la salud de la energía fotovoltaica pueden ser mayores cuando hay una congestión en las líneas de transmisión que deja a una región atrapada con cualquier fuente de alta contaminación disponible cerca. Los costos sociales de la contaminación del aire están en gran parte «externalizados», es decir, en su mayoría no se tienen en cuenta en los mercados de electricidad. Pero pueden cuantificarse utilizando métodos estadísticos, por lo que los beneficios para la salud resultantes de la reducción de emisiones pueden incorporarse al evaluar la competitividad de costos de la generación fotovoltaica.

La contribución de los generadores de combustibles fósiles al cambio climático es otra externalidad que la mayoría de los mercados de electricidad no tienen en cuenta. Algunos mercados de EE. UU., Particularmente en California y el noreste, han implementado programas de tope y comercio, pero los precios del dióxido de carbono (CO2) en esos mercados son mucho más bajos que las estimaciones del costo social del CO2, y otros mercados no tienen precios carbono en absoluto. Por lo tanto, una contabilidad completa de los beneficios de la energía fotovoltaica requiere determinar las emisiones de CO2 desplazadas por la generación fotovoltaica y luego multiplicar ese valor por un precio de carbono uniforme que represente el daño que esas emisiones habrían causado.

Cálculo de costos y beneficios fotovoltaicos

Para examinar el valor cambiante de la energía solar, Brown y su colega Francis M. O’Sullivan, vicepresidente senior de estrategia de Ørsted Onshore North America y profesor titular de la MIT Sloan School of Management, desarrollaron una metodología para evaluar los costos y los beneficios de la energía fotovoltaica en la red eléctrica de EE. UU. anualmente desde 2010 hasta 2017. 

Los investigadores se centraron en seis «operadores de sistemas independientes» (ISO) en California, Texas, el Medio Oeste, el Atlántico Medio, Nueva York y Nueva Inglaterra. Cada ISO establece los precios de la electricidad en cientos de «nodos de fijación de precios» a lo largo de la red de transmisión en su región. Los investigadores realizaron análisis en más de 10,000 de esos nodos de fijación de precios.

Para cada nodo, simularon la operación de una matriz FV a escala de servicio público que se inclina para seguir al sol durante todo el día. Calcularon la cantidad de electricidad que generaría y los beneficios que proporcionaría cada kilovatio, teniendo en cuenta los ingresos de energía y «capacidad», así como los costos de salud y cambio climático evitados asociados con el desplazamiento de las emisiones de combustibles fósiles. (Los ingresos por capacidad se pagan a los generadores por estar disponibles para suministrar electricidad en momentos de demanda máxima). Se centraron en las emisiones de CO2, que contribuyen al cambio climático , y a los óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre (SO2) y partículas. llamado PM2.5: partículas finas que pueden causar serios problemas de salud y pueden emitirse o formarse en la atmósfera a partir de NOx y SO2.

Los resultados del análisis mostraron que el valor energético al por mayor de la generación fotovoltaica variaba significativamente de un lugar a otro, incluso dentro de la región de un determinado ISO. Por ejemplo, en la ciudad de Nueva York y Long Island, donde la densidad de población es alta y es difícil agregar líneas de transmisión, el valor de mercado de la energía solar fue a veces un 50 por ciento más alto que en todo el estado en su conjunto. 

Los beneficios para la salud pública asociados con las reducciones de emisiones de SO2, NOx y PM2.5 disminuyeron durante el período de estudio, pero aún fueron sustanciales en 2017. Monetizar los beneficios para la salud de la generación FV en 2017 agregaría casi el 75 por ciento a los ingresos de energía en el Medio Oeste y Nueva York y totalmente al 100 por ciento en el Atlántico Medio, gracias a la gran cantidad de generación de carbón en el Medio Oeste y Medio Atlántico y la alta densidad de población en la costa este. 

Sobre la base de los ingresos de energía y capacidad calculados y los beneficios para la salud y el clima para 2017, los investigadores preguntaron: Dada esa combinación de beneficios públicos y privados, ¿qué costo inicial del sistema fotovoltaico sería necesario para que la instalación fotovoltaica se «iguale» durante su vida útil? asumiendo que las condiciones de la red en ese año persisten durante la vida de la instalación? En otras palabras, dice Brown, «¿a qué costo de capital se pagaría una inversión en un sistema FV en beneficios durante la vida útil de la matriz?» 

Suponiendo solo los valores de 2017 para los ingresos del mercado de energía y capacidad, una inversión fotovoltaica no subsidiada a costos de 2017 no llega a un punto de equilibrio. Agregue el beneficio para la salud y el PV se iguala en un 30 por ciento de los nodos de precios modelados. Suponiendo un precio de carbono de $ 50 por tonelada, la inversión alcanza el 70 por ciento de los nodos, y con un precio de carbono de $ 100 por tonelada (que aún es inferior al precio estimado para limitar el aumento de la temperatura global a menos de 2 grados Celsius), el PV se iguala en todos los nodos modelados. 

Ese no era el caso solo dos años antes: con los costos de PV de 2015, PV solo habría alcanzado un punto de equilibrio en 2017 en aproximadamente el 65 por ciento de los nodos contando los ingresos del mercado, los beneficios para la salud y un precio de carbono de $ 100 por tonelada. «Desde 2010, la energía solar ha pasado de ser una de las fuentes de electricidad más caras a una de las más baratas, y ahora alcanza el punto de equilibrio en la mayoría de los Estados Unidos al considerar la lista completa de valores que proporciona», dice Brown. 

Con base en sus hallazgos, los investigadores concluyen que la disminución en los costos de PV durante el período estudiado superó la disminución en el valor, de modo que en 2017 los beneficios del mercado, la salud y el clima superaron el costo de los sistemas de PV en la mayoría de las ubicaciones modeladas. «Entonces, la cantidad de energía solar que es competitiva sigue aumentando año tras año», dice Brown. 

Los hallazgos subrayan la importancia de considerar los beneficios para la salud y el clima, así como los ingresos del mercado. «Si va a agregar otro megavatio de energía fotovoltaica, es mejor ponerlo donde haga la mayor diferencia, no solo en términos de ingresos sino también de salud y CO2», dice Brown. 

Desafortunadamente, las políticas de hoy no recompensan ese comportamiento. Algunos estados proporcionan subsidios de energía renovable para inversiones solares, pero recompensan la generación por igual en todas partes. Sin embargo, en estados como Nueva York, los beneficios de salud pública habrían sido mucho mayores en algunos nodos que en otros. Los mecanismos de recompensa a nivel estatal o regional podrían adaptarse para reflejar tal variación en los beneficios de nodo a nodo de la generación de PV, proporcionando incentivos para instalar sistemas de PV donde serán más valiosos. Proporcionar señales de precios que varían en el tiempo (incluido el costo de las emisiones) no solo a los generadores a escala de servicios públicos, sino también a los generadores y clientes de electricidad residenciales y comerciales, guiaría de manera similar la inversión fotovoltaica a las áreas donde proporciona el mayor beneficio. 

Salida fotovoltaica que cambia el tiempo para maximizar los ingresos 

El análisis proporciona alguna orientación que podría ayudar a los posibles instaladores fotovoltaicos a maximizar sus ingresos. Por ejemplo, identifica ciertos «puntos calientes» donde la generación de PV es especialmente valiosa. En algunos nodos de alta demanda de electricidad a lo largo de la costa este, por ejemplo, la persistente congestión de la red ha significado que los ingresos proyectados de un generador fotovoltaico hayan sido altos durante más de una década. El análisis también muestra que el sitio más soleado no siempre es la opción más rentable. Un sistema fotovoltaico en Texas generaría aproximadamente un 20 por ciento más de energía que uno en el noreste, sin embargo, los ingresos energéticos fueron mayores en los nodos del noreste que en Texas en algunos de los años analizados. 

Para ayudar a los posibles propietarios de PV a maximizar sus ingresos futuros, Brown y O’Sullivan realizaron un estudio de seguimiento centrado en las formas de cambiar la producción de los conjuntos de PV para alinearse con los tiempos de precios más altos en el mercado mayorista. Para este análisis, consideraron el valor de la energía solar en el mercado diario y también en el «mercado en tiempo real», que envía generadores para corregir las discrepancias entre la oferta y la demanda. Exploraron tres opciones para dar forma a la producción de generadores fotovoltaicos, centrándose en el mercado en tiempo real de California en 2017, cuando la alta penetración fotovoltaica condujo a una gran reducción en los precios del mediodía en comparación con los precios de la mañana y la tarde.

  • Reducción de la producción cuando los precios son negativos: durante las horas de precios negativos, un operador fotovoltaico puede simplemente apagar la generación. En California en 2017, la reducción habría aumentado los ingresos en un 9 por ciento en el mercado en tiempo real en comparación con la operación «obligada».
  • Cambiar la orientación de los paneles solares de «inclinación fija» (estacionaria) : La regla general en el hemisferio norte es orientar los paneles solares hacia el sur, maximizando la producción durante el año. Pero la producción máxima se produce aproximadamente al mediodía, cuando los precios de la electricidad en los mercados con alta penetración solar están en su punto más bajo. Señalar paneles hacia el oeste mueve la generación más hacia la tarde. En el mercado en tiempo real de California en 2017, la optimización de la orientación habría aumentado los ingresos en un 13 por ciento, o 20 por ciento en conjunto con la reducción.
  • Uso del seguimiento de 1 eje: para instalaciones más grandes a escala de servicios públicos, los paneles solares se instalan con frecuencia en seguidores solares automáticos, que rotan durante todo el día desde el este por la mañana hasta el oeste por la noche. El uso de este seguimiento de 1 eje en el sistema de California en 2017 habría aumentado los ingresos en un 32 por ciento sobre una instalación de inclinación fija, y el uso del seguimiento más la reducción habría aumentado los ingresos en un 42 por ciento.

Los investigadores se sorprendieron al ver cuánto cambió la orientación óptima en California durante el período de su estudio. «En 2010, la mejor orientación para una matriz fija era de unos 10 grados al oeste del sur», dice Brown. «En 2017, está a unos 55 grados al oeste del sur». Ese ajuste se debe a los cambios en los precios del mercado que acompañan un crecimiento significativo en la generación fotovoltaica, cambios que ocurrirán en otras regiones cuando comiencen a aumentar su generación solar.

Los investigadores enfatizan que las condiciones están cambiando constantemente en las redes eléctricas y los mercados de electricidad. Con eso en mente, hicieron que su base de datos y código de computadora estuvieran disponibles para que otros puedan usarlos fácilmente para calcular estimaciones actualizadas de los beneficios netos de la energía fotovoltaica y otros recursos de energía distribuida.

También enfatizan la importancia de obtener precios que varían en el tiempo para todos los participantes del mercado y de adaptar las estrategias de instalación y despacho a las condiciones cambiantes del sistema de energía. Una ley que entrará en vigencia en California en 2020 requerirá que todas las casas nuevas tengan paneles solares. La instalación de los paneles habituales orientados al sur con una salida sin restricciones podría saturar aún más el mercado de la electricidad en momentos en que otras instalaciones fotovoltaicas ya están generando.

«Si las nuevas matrices de techo utilizan paneles orientados al oeste que se pueden apagar durante tiempos de precios negativos, es mejor para todo el sistema», dice Brown. «En lugar de simplemente agregar más energía solar en momentos en que el precio ya es bajo y la combinación de electricidad ya está limpia, las nuevas instalaciones fotovoltaicas desplazarían generadores de gas caros y sucios por la noche. Permitir que el resultado sea una victoria».


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