La percepción convencional sobre la región del Ártico ha sido que los largos y oscuros inviernos hacen que la energía solar fotovoltaica sea casi inútil, lo que convierte a la energía eólica en la solución predilecta para los expertos en energía. Sin embargo, investigaciones sobre la complementariedad estacional en Finlandia muestran que esta percepción pasa por alto un aspecto crucial: el reverso de los largos inviernos es un verano igualmente largo con muchas horas de luz. Es un hecho que todos reconocen en teoría pero que a menudo se ignora en la práctica.
El mayor rendimiento de energía solar fotovoltaica por capacidad instalada en un solo día se ha registrado en la Antártida, donde el sol permanece sobre el horizonte durante 24 horas durante el solsticio de verano. La reflexión del suelo debido a la nieve y el ambiente frío aumentan aún más el rendimiento. Este fenómeno resalta el potencial de la energía solar fotovoltaica en las regiones polares.
Potencial solar en el Ártico
Explorar el potencial de la energía solar fotovoltaica en la región del Ártico revela que puede desempeñar un papel sorprendentemente significativo. Otro estudio sobre la transición energética en la Laponia finlandesa muestra que los gigavatios de energía solar fotovoltaica pueden ser cruciales durante los meses de verano, cuando la energía eólica alcanza su nivel más bajo. Esto podría ayudar a Laponia a convertirse en un centro de exportación de e-combustibles, revolucionando el panorama energético de la región.
Pero Laponia no es un caso aislado. Investigaciones sobre el potencial de Groenlandia y las Islas Shetland para convertirse en centros de exportación de e-combustibles basados en sus vastos recursos eólicos demuestran que la energía solar fotovoltaica puede contribuir de manera significativa al balance energético durante los meses de verano. El estudio sobre Groenlandia muestra que la energía solar fotovoltaica contribuye con más del 10% de la electricidad anual, ayudando a operar unidades de síntesis de e-combustibles en los meses de verano. Incluso Islandia, con su abundante energía geotérmica y eólica, puede beneficiarse del impulso veraniego que proporciona la energía solar fotovoltaica. Hallazgos similares se reportan para toda la región nórdico-báltica, que estará mayormente impulsada por energía eólica, mientras que la solar fotovoltaica es un recurso energético indispensable.
Tecnologías y configuraciones óptimas
Una publicación reciente sobre las perspectivas de la energía solar fotovoltaica en la región ártica y subártica investiga cómo se desempeñan diferentes carteras de tecnología solar fotovoltaica en el Ártico, combinando modelado de alta resolución con un análisis detallado de costos. Los hallazgos revelan que los sistemas solares fotovoltaicos de seguimiento horizontal de un solo eje (HSAT, por sus siglas en inglés) pueden entregar entre 770 y 2170 horas de carga completa por año, dependiendo de la ubicación. Curiosamente, diseños más simples funcionan casi igual de bien. Los sistemas solares fotovoltaicos bifaciales verticales orientados este-oeste (EW vertical) generalmente generan solo un 0-13% menos de electricidad que los HSAT. En algunas ubicaciones extremas del norte, incluso pueden igualar a los sistemas de seguimiento. Por ejemplo, en Nunat, Groenlandia (77.4°N 67.9°O), generan una producción anual igual.
El estudio también muestra claras ventajas económicas. En comparación con una mezcla de referencia de tecnologías (40% de inclinación fija, 50% HSAT y 10% EW vertical), cambiar a una cartera completamente EW vertical reduce el costo nivelado de la electricidad en un 1.4-14% en el Alto Ártico. El seguimiento complejo no siempre es necesario para lograr patrones de generación favorables en el Norte. Al combinar EW vertical con sistemas solares fotovoltaicos de inclinación fija óptima, es posible replicar de cerca el perfil de producción diario de los HSAT. Por ejemplo, una mezcla 50/50 de esas dos configuraciones alcanza una alta correlación con los patrones de generación de HSAT para el subártico.
El costo nivelado de la electricidad (LCOE) para la cartera de tecnología de referencia (referencia) y el cambio relativo en LCOE para configuraciones de inclinación fija, seguimiento de un solo eje (HSAT) y vertical este-oeste (EW Vert). Imagen: Universidad LUT.
Estos hallazgos tienen implicaciones importantes para el diseño del sistema energético. Las soluciones fotovoltaicas más simples, sin seguimiento, pueden facilitar el despliegue en regiones árticas remotas mientras mantienen un rendimiento sólido. Tales configuraciones flexibles pueden apoyar las transiciones energéticas nacionales, incluidos los enfoques emergentes de fotovoltaica integrada como la agrivoltaica y la electrificación de corredores de transporte. Esto resalta cómo las carteras solares fotovoltaicas bien diseñadas pueden permitir caminos de energía limpia más integrados, resilientes y rentables en regiones de alta latitud.
Resultados similares se han encontrado para Alaska y el extremo norte de Canadá, donde las redes interregionales están menos presentes y más microredes locales forman el suministro eléctrico de la población. Especialmente la energía solar fotovoltaica vertical debería considerarse con más detalle. No solo es posible aprovechar el sol de medianoche de manera más efectiva, sino que, en combinación con la agricultura, la fotovoltaica vertical ofrece varios beneficios secundarios. La fotovoltaica vertical puede actuar como refugio contra el viento, lo cual puede ser importante para cultivos sensibles, y su perfil de generación eléctrica se ajusta mejor a la demanda. Además, los sistemas fotovoltaicos verticales son menos propensos a la cobertura de nieve.
El caso de Islandia y otras regiones
Otra región norteña rara vez discutida en conversaciones sobre energía solar fotovoltaica es Islandia, el país con la capital más septentrional. Islandia es conocida por su gran industria de aluminio alimentada por energía hidroeléctrica y geotérmica. También existen oportunidades industriales para áreas novedosas, como la eliminación de dióxido de carbono (CDR, por sus siglas en inglés). Investigaciones sobre las oportunidades de servicio de CDR de Islandia como un nuevo sector industrial revelan un gran potencial; sin embargo, no sin efectos secundarios. El nuevo sector industrial agregaría cantidades significativas de demanda de energía de carga base, mientras que el potencial sostenible de las energías renovables convencionales está casi totalmente utilizado.
Afortunadamente, Islandia está bendecida con una abundancia de fuentes de energía renovable. La primera que viene a la mente es la energía eólica. En el Atlántico Norte, Islandia muestra rendimientos eólicos similares a los del norte de Gran Bretaña o el sur de Groenlandia. Además, la energía undimotriz podría desempeñar un papel importante, ya que Islandia podría ser uno de los pocos ejemplos donde la energía undimotriz supera a la energía eólica marina. En una amplia gama de escenarios, la energía solar fotovoltaica siempre juega un papel crucial. Incluso cuando la demanda de energía del sector de CDR se considera más flexible para seguir la disponibilidad de fuentes de energía renovable, la energía solar fotovoltaica siempre es necesaria para cubrir la estacionalidad significativa de la energía eólica y undimotriz. Con la demanda de calor incluso durante el verano, la energía solar fotovoltaica se convierte en la columna vertebral de un sistema energético estable durante todo el año.
Dependiendo de los escenarios, la participación de la energía solar fotovoltaica en la generación anual de electricidad en 2050 puede alcanzar hasta el 7% para Laponia, 9% para Groenlandia, 17% para Islandia, 1% para las Islas Shetland, 30% para Alaska y 33% para el extremo norte de Canadá. Un estudio reciente para la región nórdico-báltica encontró una participación de la energía solar fotovoltaica en la generación de electricidad del 17-22% y del 44-54% en capacidad instalada. Un estudio de revisión global reciente sobre la participación de la energía solar fotovoltaica en la generación de electricidad para 2050 encuentra participaciones decentes de alrededor del 10-20% en todas las regiones árticas y subárticas del hemisferio norte.
La respuesta detrás del valor de la energía solar fotovoltaica en regiones lejos del ecuador radica en sus gastos de capital y operativos notablemente bajos, que se espera que sigan disminuyendo. No solo las plantas fotovoltaicas a escala de servicios públicos, sino también los sistemas fotovoltaicos de prosumidores se están volviendo atractivos en las regiones árticas. En estudios de minimización de costos, la energía solar fotovoltaica emerge consistentemente como un actor clave, incluso en las regiones con los inviernos más largos y oscuros. Esto sirve como recordatorio de que incluso en las regiones con el rendimiento solar más bajo, la reducción en las horas de carga completa es solo del doble en comparación con las regiones con el rendimiento más alto. Esto significa que la energía solar fotovoltaica aún puede entregar una cantidad significativa de energía, incluso en las condiciones más desafiantes.
A medida que el panorama energético continúa evolucionando, es hora de repensar los supuestos sobre la energía solar fotovoltaica en el Ártico y las regiones del norte. La investigación es clara: la energía solar fotovoltaica es un componente vital de un sistema energético optimizado en costos, independientemente de la ubicación.
Autores: Rasul Satymov, Geethike V. Arachchi, Dominik Keiner y Christian Breyer.
Este artículo es parte de una columna mensual de la Universidad LUT. La investigación en la Universidad LUT abarca diversos análisis relacionados con energía, calor, transporte, industria, desalinización y opciones de eliminación de dióxido de carbono. La investigación de Power-to-X es un tema central en la universidad, integrado en las áreas de enfoque de Recursos Planetarios, Negocios y Sociedad, Revolución Digital y Transición Energética. La energía solar juega un papel clave en todos los aspectos de la investigación.
