La Energía Como Aspecto De Vital Importancia Para La Sociedad Y Su Economía

La energía es de vital importancia para la sociedad y su economía, el hecho de que hoy en día se pueda hacer uso de la misma para obtener una mayor calidad de vida y realizar de una mejor manera las labores cotidianas es el resultado del que hacer científico [1]. Según Ediger [2], La matriz energética mundial ha sido dominada desde la revolución industrial en 1780 por los combustibles fósiles como el carbón y el petróleo. El mayor aspecto negativo de los combustibles fósiles son las enormes repercusiones que tienen sobre el medio ambiente, además de que se están agotando de los yacimientos. Actualmente, los combustibles fósiles cubren el 85,5% de las necesidades energéticas de la sociedad, aunque este porcentaje varía de acuerdo a cada país. En la actualidad, el uso del gas a crecido considerablemente debido a que sus emisiones de dióxido de carbono son menores en comparación con el carbón y el petróleo.

Las emisiones de dióxido de carbono generadas durante la quema de estos combustibles es una de las principales causas del calentamiento global, por tanto, existen regulaciones que restringen la cantidad permitida de dióxido de carbono emitido a la atmosfera terrestre, como también el aumento de la temperatura mundial [3]. En el año 2015 en la ciudad de Paris, la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) propuso un acuerdo para disminuir las emisiones de Dióxido de Carbono (CO2) a la atmosfera terrestre, este acuerdo, conocido como el Acuerdo de París, fue firmado en el año 2016 por 174 países y por la Unión Europea, siendo el primer acuerdo en ofrecer un carácter legal al mismo. Este acuerdo se llevo a cabo para conseguir que el incremento de la temperatura media global no fuese superior a los 2°C por encima de los niveles preindustriales y lograr unir esfuerzos para que esta cifra no sea superior a 1,5°C por encima de los niveles preindustriales, para enfrentar así las amenazas del cambio climático [4]. Según Vakulchuk et al. [5], Para lograr que la temperatura media glogal no aumente por encima de 1,5 °C con respecto a los niveles preindustriales, se necesitará que el uso de las energía renovables alcancen un 80% para el año 2030 y un 100% para el año 2050.

El uso de las energías renovables es de vital importancia en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. La demanda de las energías renovables ha aumentado en las últimas décadas y continúa aumentando conforme avanzan los días, sin embargo, su utilización aún no alcanza el nivel suficiente para lograr apreciar una disminución considerable en estas emisiones [6]. Según Mahjabeen et al. [7], las energías renovables tienen una repercusion positiva sobre el medio ambiente solo cuando alcanza cierta cantidad mínima en el uso de las mismas, en otras palabras, esta es una invitación a ofrecerle una mayor participación a estas enegias para asi poder apreciar un cambio considerable en el medio ambiente. La implementación de este tipo de energías tiene un impacto positivo sobre el desarrollo economico y en la calidad de vida de las poblaciones, por ejemplo, dotan de energía eléctrica a aquellos los sectores de un país que por su carácter decentralizado no poseen un suministro de energía, de esta manera, se incentiva a una transición energética donde estén presentes la solar o fotovoltaica, eólica, mareomotriz, residuos y biomasa.

Según Pupo et al. [8], la matriz energetica en Colombia ha estado dominada por la generación de energía hidroeléctrica y térmica, con una producción de energía promedio de 71% y 28%, respectivamente. Otras fuentes de energía renovables, como los son la energía eólica y la bioenergía, constituyen el 1% restante de la generación de energía media anual total . Actualmente, el país cuenta con solo un parque eólico, el cuenta con una capacidad instalada de 19,5 MW. La capacidad total instalada de energía fotovoltaica en 2019 se estima en 17,96 MW con dos proyectos conectados a la red eléctrica nacional (Celsia solar Yumbo y Celsia solar Bolivar).

Una forma de aprovechar la energia solar es por medio de paneles fotovoltaicos, los cuales mediante el efecto fotoeléctrico convierten esta energia en energía eléctrica. Los paneles fotovoltaicos utilizan la unión de un semiconductor tipo P con un semiconductor tipo N, a esta unión se le conoce como unión P-N. El semiconductor tipo N tiene exceso de electrones debido a que en el se introducen impurezas cuyos atomos liberan un electron al momento de formar el enlace con los atomos del semiconductor. El semiconductor tipo P tiene deficiencia de electrones, debido a que las impurezas que se introducen aquí no tienen los electrones necesarios para formar completamente el enlace, por tanto, este electron faltante lo aporta el semiconductor en cuestión. Al momento de incidir los fotones que contituyen la luz solar sobre esta unión P-N, dotaran de energía a estos electrones libres en la unión N, los cuales se encuentran débilmente unidos a los atomos de la impureza, provocando su difusión desde el semiconductor N al semiconductor P, cerrando los enlaces rotos en el semiconductor P. Esta difusión dejara una región ionizada en ambos semiconductores, las cuales al estar en contacto, generan un campo eléctrico y en consecuencia, una diferencia de potencial [9].

Según Husain et al. [10], alrededor del 80% de las células solares en el planeta se fabrican con materiales a base de silicio, el cual se clasifican a partir de su estructura como silicio monocristlino y silicio policristlino. Las células fotovoltaicas fabricadas con silicio monocristalino son más eficientes que las células fotovoltaicas de silicio policristalino, esto debido a que poseen una estructura cristalina perfecta a diferencia de las células policristalinas, cuya estructura molecular es menos perfecta, dificultando asi el flujo de electrones. Actualmente se estudia la utilización de otros materiales para la fabricación de células solares con la finalidad de disminuir los altos costos asociados a la fabricación de las mismas con los materiales convencionales. Uno de los materiales mas opcionados es la perovskita, la cual es un material orgánico abundante en el mundo, con buenas propiedades eléctricas, alto coeficiente de absorción, y alta estabilidad. Están formadas por un material de óxido metálico, como el TiO2 o el Al2O3 y otros materiales de transporte orgánico. Según Kafka y Miller [11], el uso de las células fotovoltaicas fabricadas de silicio empezó en el año 1955, funcionando con una eficiencia del 2%, pero gracias a los avances de la tecnologia esta eficiencia se ha incrementado a valores entre 15 a 22, 5%. La cantidad energía electrica generada depende en gran medida de la cantidad de energía solar que incide sobre la superficie del panel fotovoltaico, esta a su vez depende de factores geográficos como la latitud y la elevación del lugar en donde se instalen los paneles fotovoltaicos, la cobertura de la superficie y las condiciones meteorológicas como la cobertura del cielo y la transmisividad de las nubes. La recolección eficiente de esta radiación requiere de una estrategia que consiste en orientar convenientemente los paneles solares en sintonia con el campo de radiación solar. Una regla general consiste es orientar los paneles hacia el sur, en caso de encontrarse ubicados en el hemisferio norte y en ángulo de acuerdo con la latitud del sitio, de tal manera que su superficie sea lo mas perpendicular posible al haz directo, lo que permite una recolección eficiente de la radiación solar directa.

Según Nastasi y Di Matteo [12], el tiempo de vida útil de los paneles fotovoltaicos fabricados actualmente esta entre 25 y 30 años. Durante esta vida útil, el potencial de reducción de las emisiones de CO2 en algunas regiones de Europa varía de 12,1 tCO2 / kWp para la ubicación de Noruega a 30,7 tCO2 / kWp en el caso de Grecia en cuanto a instalaciones fotovoltaicas en los tejados de las viviendas y de 7,2 a 18,6 tCO2 / kWp en instalaciones de fachadas para los mismos lugares.

Los sistemas fotovoltaicos estan dividos en tres tipos: sistemas fotovoltaicos conectados a la red, aislados de la red y sistemas híbridos. Los sistemas fotovoltaicos aislados de la red necesitan de un sistema de almacenamiento de energía para entregar energía de respaldo cuando no hay radiación solar disponible. Debido al uso del sistema de almacenamiento de batería, este sistema es mas costoso y ocupa un mayor espacio. Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red solo pueden entregar energía eléctrica durante el día, que es cuando aun hay radiación solar disponible, cuando el sistema no puede entregar energía esta es tomada de la red eléctrica local. El sistema híbrido puede cargar el sistema de almacenamiento de energía tanto de la red como de los sistemas solares fotovoltaicos [13].

Una de las muchas aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos esta el accionamiento de los sistemas de acondicionamiento de aire debido a su alto consumo de energía, el sistema total esta formado principalmente por la matriz fotovoltaica, sistema de almacenamiento de energía, unidad de confluencia, controlador PWM y sistema de acondicionamiento de aire. El punto de partida para dimensionar el sistema de acondicionmiento de aire es realizar un análisis de carga térmica para conocer el calor que debe retirarse de un espacio por unidad de tiempo [14].

Lodi et al. [15] afirman que el sector transporte es uno de los sectores con mayor generación de emisiones de CO2, la energía fotovoltaica se ha decidido implemenar en medio de transporte. Un ejemplo de las tecnologías que ya se han implementado son los techos fotovoltaicos que proporcionen la energía eléctrica necesaria para cargar y sostener la batería de bajo voltaje de los vehículos convencionales propulsados ​​por motores de combustión interna, disminuyendo así la carga mecánica del motor a causa del uso del alternador. Según Rodriguez et al. [16], existen también aviones como lo son El UAV SoLong y el Solar Impulse, los cuales volaron de noche en los años 2005 y 2010, respectivamente, utilizando única y exclusivamente energía solar. El avión Solar Impulse ha cruzado todo el territorio de los Estados Unidos y ha logrado además muchos récords en cuanto a resistencia y distancias recorridas