La astrofísica de los paneles solares: ¿cómo funcionan el autoconsumo y los excedentes energéticos?

En el mes de enero los paneles solares que puse hace cuatro meses en casa produjeron más energía de la que consumí (repito, ¡en enero!). Después de compensar lo que he cogido de la red, la compañía eléctrica se ha quedado incluso, ¡gratis!, con parte de la energía que he producido.

Según Platón “el conocimiento sin justicia debería llamarse astucia en lugar de sabiduría”, así que he aquí unas consideraciones astrofísicas (las de ingeniería de materiales o cuestiones medioambientales y de sostenibilidad las dejo para expertos), para delimitar el conocimiento acerca de lo que es o sería justo, acerca de lo que implica de astucia y sobre lo que realmente sería sabiduría en esto de los paneles solares.

Empiezo fuerte: la energía nuclear (y la gravedad) es la base de la vida en la Tierra. Todo lo que conocemos en la faz de nuestro planeta obtiene su energía vital, su fuente de alimentación si hacemos un juego de palabras entre la ingeniería y la biología, directamente o por intermediarios, de la gran central de fusión nuclear que es el Sol. Del Sol nos llegan a la Tierra entre 1.361 y 1.362 vatios por metro cuadrado (los físicos somos vagos y escribimos W/m²), lo que implica que el Sol es tremendamente estable (que me perdonen los de la serie Apagón, que tampoco cuenta una gran mentira, la cosa puede pasar). También se infiere que si tuviéramos un panel solar de un metro cuadrado (los que se ponen suelen tener 2-3 metros cuadrados) podríamos proporcionarle energía simultáneamente a 136 bombillas LED de 10 W (¡mucha luz para una casa!), o a 5 frigoríficos potentes, o a 9 televisiones, o a casi 2 lavadoras, o media cocina de inducción, o a una combinación más normal de todos esos aparatos. ¡El Sol da un montón de energía!

La cuestión es que todo el cálculo anterior está mal por varias razones. Dejamos aparte eficiencia de los paneles solares (es decir, cuánta energía que les llega del Sol son capaces de convertir en electricidad y cuánta se “pierde”) y nos metemos en más conceptos astrofísicos. Ya hemos dado uno: esos 1.361 W/m² es lo que se conoce como constante solar (deberíamos añadirle “terrestre”, Urano tiene una constante solar 1.000 veces más pequeña). Los 1.361 W/m², que es una potencia por unidad de área, lo que se conoce como un flujo (si ya es difícil entender la diferencia entre energía y potencia, aquí va otro concepto físico), es lo que se recibe del Sol fuera de nuestra atmósfera. Pero nosotros estamos debajo de la atmósfera, y esta no es completamente transparente.

La energía nuclear (y la gravedad) es la base de la vida en la Tierra. Todo lo que conocemos en la faz de nuestro planeta se alimenta de la gran central de fusión nuclear que es el Sol

De hecho la atmósfera es opaca, menos mal, para los rayos más energéticos del Sol, los gamma o ultravioletas. No es completamente transparente para los rayos azules, algo que explica por qué el cielo es azul (nunca hemos hablado de eso en esta sección, ¡pero es que hay tantos artículos sobre el tema!). Nuestra atmósfera es bastante transparente, pero no completamente para la luz a la que estamos más acostumbrados y que nos dan los colores del día a día, todos los del arcoíris. Luego se vuelve otra vez opaca en el infrarrojo medio, donde los rayos que nos llegan del cosmos sirven para calentar y excitar moléculas de agua y no nos llega nada a la superficie terrestre (lo que explica el porqué mandamos el telescopio James Webb al espacio).

Finalmente, vuelve a ser transparente en las ondas radio. La atmósfera es muy suya y deja pasar lo que quiere. Algo que ha esculpido nuestra existencia, no es baladí. Así que a los paneles solares que podemos poner en nuestras casas o edificios de trabajo les llega bastante menos energía que la que implica la constante solar. Si el Sol estuviera en lo alto del cielo, en el cénit se dice, la atmósfera típicamente se comería un 20-60% de la constante solar. El valor exacto varía en minutos u horas, depende de si estamos hablando de fotones azules o rojos, y de qué hay en ese momento en la atmósfera. De haber polvo, los fotones azules pueden desaparecer casi por completo, si hay nubes llegan bastantes menos fotones (¡pero no 0!, porque hay luz del Sol en días nublados es un buen tema para otro artículo).

La atmósfera ha esculpido nuestra existencia, no es baladí: opaca para los rayos más energéticos como los gamma o ultravioletas. No es transparente para rayos azules, lo que explica el cielo

Pero el Sol normalmente no está en el cénit, eso solo pasa uno o dos días al año en latitudes intertropicales, no en España. En la España peninsular y balear, que me perdonen mis amigos canarios, a lo más alto que llega el Sol, justo en el solsticio de verano, es a una altura de casi 75 grados, la altura de los astros se mide en ángulos desde el horizonte, estando el cénit a 90 grados. En el solsticio de invierno, sin embargo, el Sol solo sube hasta una altura de unos 25 grados.

¿Y por qué eso de la altura del Sol es importante? Imagínense en una piscina. Quieren llegar al fondo. Si bucean en vertical llegarán antes, recorren menos distancia. Pero si bucean en oblicuo tendrán que recorrer más distancia para llegar al fondo y es más fácil quedarse sin aire. Pues lo mismo les pasa a los fotones del Sol. Si el Sol está en el cénit se dice que tienen que “atravesar una atmósfera” para llegar a la superficie. Si el Sol está a 30º de altura, los fotones es como si atravesaran 2 atmósferas enteras, y si está a 45º, como 1,4 atmósferas. Total, cuanto más bajo el Sol, menos fotones nos llegan a la superficie, y además el problema no es lineal, el número de fotones que la atmósfera se come crece exponencialmente según el Sol va bajando en altura. Este efecto es exactamente el que vemos en las curvas de insolación de los paneles solares, para los que ya los tengáis o hayáis visto esas gráficas de energía producida estilo campana.

Como el Sol cada vez llega más alto según nos acercamos al solsticio de verano, el máximo de producción de energía cada vez será más alto. El 21 de diciembre es cuando el Sol alcanza la altura máxima más baja del año (en el hemisferio norte), 25º en Madrid. Ese día no, que estaba nublado en Madrid, pero el 26, mis paneles produjeron 3 kW en el pico, a mediodía; mediodía astronómico, definido en función de esa altura máxima del Sol, ni mediodía de reloj ni el mediodía ese hereje que muchos usan para llamar a la hora de comer. Es la producción más baja, los fotones del Sol deben atravesar el equivalente a 2,4 atmósferas. El 17 de febrero vamos por 4 kW en el pico, el Sol llegó a 37º de altura, equivalente a 1,7 atmósferas. Cuando lleguemos al solsticio de verano, los fotones solo atravesarán 1,04 atmósferas y deberemos llegar a 7 kW en el pico. Pero eso, si las condiciones de la atmósfera son iguales, y no lo serán, habrá quizá más polvo del Sahara, más ozono, cuyos niveles suben en verano, menos partículas de contaminación provenientes de calefacciones...

Una vez tratado el conocimiento, ¿dónde se queda la justicia y la astucia de la que hablábamos al principio? Justicia: ¿por qué la compensación de excedentes, es decir, la energía producida que no se usa y se inyecta en la red general, se paga por meses? No es lo mismo el invierno que el verano, debería prorratearse en un año, la astrofísica del problema funciona así. ¿No hubo ningún astrofísico revisando la ley que rige el autoconsumo?; o alguien con sentido común, tampoco es tan desconocido el tema de cuándo hace más sol. Y la astucia: la respuesta a la anterior pregunta la involucra.

Me temo que hay muchos intereses en el tema, desde una nueva forma de producir energía que acaba con modelos que han durado décadas (acuérdense del “impuesto al sol”), hasta esta nueva oportunidad de negocio con la que muchos están ganando mucho dinero. Y querrán ganar más. Ya hay mentes preclaras, que me recuerdan al millonario de Contact (Robert Zemeckis, 1997) o al de la corporación Weyland-Yutani, hablando de alfombrar el Sahara de paneles solares.

Corolario: prefiero una forma sabia de producir energía que aplicar nuestros conocimientos de manera injusta y astuta, habrá que estar atentos. Hasta aquí esta edición de Vacío cósmico, versión servicio público con información útil para el día a día.

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de un átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología; y Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM).

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