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El potencial de las autopistas como generadoras de energía solar

Solar energy generation potential along national highways

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Palabras Claves
energía solar, tecnología fotovoltaica, autopistas, transporte, eficiencia energética, India



02-01-2014 | La generación de energía solar fotovoltaica requiere grandes extensiones de terreno. Como el precio de la tierra aumenta día a día, existe la necesidad perentoria de usar la tierra disponible de la manera más eficiente posible. En el presente trabajo se exploró la posibilidad de generar energía utilizando el área que ocupan las carreteras nacionales, construyendo por encima de ellas una estructura a modo de techo.


Introducción
La generación de energía solar fotovoltaica requiere grandes extensiones de terreno. Como el precio de la tierra aumenta día a día, existe la necesidad perentoria de usar la tierra disponible de la manera más eficiente posible. En el presente trabajo se exploró la posibilidad de generar energía utilizando el área que ocupan las carreteras nacionales, construyendo por encima de ellas una estructura a modo de techo. Este espacio puede contribuir a generar energía sin el costo suplementario de la tierra. También conduce a una mayor eficiencia energética, por ejemplo, al mejorar el movimiento vehicular y porque permite llevar al mínimo el gasto de energía del aire acondicionado de los vehículos.

En igual sentido, resulta beneficioso en términos de reparación de carreteras y de mayor vida útil para los neumáticos por efecto de la sombra. Por tanto, se reduce de modo considerable el gasto debido al desgaste y reparación de las carreteras. A partir del modelo de estudio, se observó que la carretera Ahmedabad-Rajkot puede generar 104 MW de electricidad (163 GWh de energía generada en un año) y que el espacio que brinda la carretera Ahmedabad-Vadodara es capaz de generar 61 MW de electricidad (96 GWh de energía generada por año) utilizando paneles solares de una sola capa. Si se colocan dos capas de paneles solares una sobre la otra, la generación anual de energía de las mismas carreteras, Ahmedabad-Rajkot y Ahmedabad-Vadodara, puede aumentar a 229 GWh y 140 GWh, respectivamente. Si el concepto aquí propuesto se aplicara en toda la India, manifiestan los autores, no sólo aumentaría la generación de energía a unos cuantos gigavatios de electricidad sino que también tendría varias otras ventajas como el aumento de la duración de las carreteras, la generación de empleo, la reducción de las emisiones de CO2 en el medio ambiente, etc.

Antecedentes, métodos y datos
Sobre la base de la economía de costos de una planta de energía solar fotovoltaica, el costo del módulo fotovoltaico es de alrededor del 45% y el de los otros accesorios como las obras civiles, inversores, transformadores, cables, etc. asciende aproximadamente al 55%. Además, el costo de la planta de energía también depende del valor de la tierra. Como el costo de la energía solar fotovoltaica disminuye continuamente, en la actualidad el gran desafío radica en el costo de la tierra. La tierra se ha convertido en un recurso escaso en la India en los últimos años; la disponibilidad de tierra per cápita es baja. La superficie terrestre es a menudo considerada como el desafío más crítico para el despliegue de tecnología de energía solar. En vista de lo anterior, el estudio aquí detallado se basa en el uso de la tierra disponible de una manera eficaz. Por tal motivo es que se decidió estudiar las superficies de las carreteras nacionales para la generación de energía utilizando la tecnología solar fotovoltaica.

Para demostrar nuestro enfoque sobre el uso de la tierra y su potencial solar, se tomaron para el modelado dos áreas, a saber: la carretera nacional Ahmedabad-Rajkot y la autopista nacional de Ahmedabad-Vadodara. La extensión total de la carretera nacional Ahmedabad-Rajkot es de 205 km, y la de la autopista nacional de Ahmedabad-Vadodara, de 93 km. Para construir el modelo, hemos utilizado dos programas de software: el Google Earth Pro y los programas de simulación PVsyst. Existen otros enfoques y métodos para el uso de la tecnología solar fotovoltaica en las carreteras, por ejemplo, la iluminación vial LED basada en la energía solar, el alumbrado de seguridad, tableros de mensajes modificables en las carreteras, etc. Aunque estas son aplicaciones muy importantes, en términos de generación o ahorro de energía, son casi insignificantes en comparación con el enfoque que hemos propuesto en nuestro trabajo.

El fundamento del estudio propuesto es explorar la eficacia de la utilización de las carreteras nacionales y ampliar todos los factores tendientes a generar energía. La ventaja adicional de usar el espacio existente encima de las carreteras para la instalación de paneles solares, es la obtención de sombra. Esto resulta en una mayor eficiencia de los vehículos ya que reduce la pérdida de energía debida al calor en su interior y también mejora la vida útil de los neumáticos en todos los vehículos, debido a la sombra que cubre la carretera. Combinadas, ambas cosas se traducirán en la mejora simultánea, tanto de la economía, por la generación de energía como en una mayor eficiencia del vehículo. Otra ventaja de la sombra sobre el camino es la vida útil de la carretera y la reducción de los costos por mantenimiento. Es un fenómeno habitual en muchos caminos que poco después de las lluvias, se formen baches. Esto será historia cuando todas las rutas estén techadas con paneles solares, con un sistema fotovoltaico de 50 kW (unidad para el cálculo, que se extenderá a toda la longitud de la carretera). En consecuencia, 504 números de módulos se utilizan para carretera nacional Ahmedabad-Rajkot (cuatro carriles) y autopista de Ahmedabad-Vadodara (carreteras de cuatro carriles con dos vías de acceso). En el hemisferio norte, los paneles están inclinados en un ángulo de 23° y orientados exactamente hacia el sur.



La FIGURA 1 muestra a modo de ejemplo un esquema de una carretera nacional típica. El ancho de cada carril es de 3,5 metros según lo especificado por la autoridad nacional de carreteras de la India y ha sido verificado en el lugar por los autores. En la figura también se muestran simbólicamente los árboles plantados a los costados de la carretera. Se pueden diseñar diferentes configuraciones basadas en el área disponible sobre la ruta, y en el tamaño y la tecnología de los paneles solares utilizados, como se detalla a continuación. El diseño sugerido en nuestro estudio requiere una estructura rígida para montar los paneles fotovoltaicos. El tipo de estructura se basa en el número de paneles solares a ser instalados en el área disponible. Por ejemplo, en el caso de la carretera nacional de cuatro carriles Ahmedabad-Rajkot, pueden colocarse en fila 84 módulos de 100 W cada uno; por lo tanto, seis de estas hileras que ocupan 14 metros de ancho y una longitud de 89 metros, requieren 504 módulos a lo largo de toda la carretera. Este es un diseño arbitrario que puede modificarse dependiendo del tamaño y de la potencia de una determinada tecnología fotovoltaica.

En base a los resultados de la modelización que se obtuvieron a lo largo de las dos carreteras nacionales, es posible extraer algunas observaciones interesantes. Aunque la longitud de la carretera nacional Ahmedabad-Rajkot y Ahmedabad-Vadodara es 205 km y 93 km, respectivamente, las longitudes efectivas para erigir las estructuras donde se colocarán los paneles solares son de 185,4 km y 85,8 km, también respectivamente. Esta modalidad de elección de las carreteras se basa en varios factores como se describió anteriormente. A partir de los resultados de nuestra modelización, es posible generar 115 MW de potencia a lo largo de la carretera nacional Ahmedabad-Rajkot. Sin embargo, debido a restricciones ambientales y de otro tipo, sólo es factible generar 104 MW de electricidad. Ahora bien, señalan los autores que de usar conceptos innovadores de paneles solares de dos capas, una sobre la otra, la generación de energía puede mejorar. Si se calcula la generación de energía para todo el año, la energía acumulada a generarse podría ser de 163 GWh. Por ejemplo, la generación de energía anual acumulativa para un sistema de 50 kW es de 78.074 kWh. En consecuencia, para un sistema de 1 MW, la generación de energía es de 1.561.480 kWh (78.074 kWh x 1.000 kW/50 kW) que equivalen a 1,56 GWh.

Conclusiones
El presente trabajo tiene la importancia de sugerir, por primera vez en la literatura científica, un enfoque para la generación de energía solar aprovechando tierras fiscales en autopistas y minimizando así el costo de la tierra, el mayor reto para este tipo de fuente energética. La aplicación de la tecnología fotovoltaica se dirige a satisfacer los desafíos globales como la inseguridad energética, la contaminación y el cambio climático. Los caminos de la India están desempeñando un papel muy importante en la economía a través del transporte, cuya participación se ha incrementado antes del año 2000 a sólo el 60% en el reparto total (40% los ferrocarriles). Esto significa que la eficiencia del vehículo y la vida útil de las carreteras son igualmente importantes. En este estudio, también se dio respuesta a las siguientes cuestiones. Es bien sabido que la tierra es cada vez más cara y que se ha convertido en un bien muy escaso. En vista de esto, el estudio propone un nuevo concepto de uso de la tierra existente de un modo más eficaz: usar las carreteras nacionales para generar energía. Para este propósito, con una inversión única, se puede construir una estructura simple elevada, que cubra las carreteras nacionales. Para ello, los autores tomaron dos casos de estudio, uno a lo largo de la carretera de Ahmedabad-Rajkot y el otro a lo largo de la autopista de Ahmedabad-Vadodara. A partir de los resultados, los autores infieren que es factible generar 104 MW de electricidad a lo largo de la carretera nacional Ahmedabad-Rajkot (la autopista nacional de Ahmedabad-Vadodara posee un potencial de generación de energía solar de 61 MW). Asimismo, sugieren utilizar el mismo concepto extendiéndolo a los 52.584 km de carreteras nacionales y estatales de la India de cuatro o más carriles, por ejemplo, la carretera Golden Quadrilateral de cuatro carriles que tiene 5.839 km de longitud. El corredor NS-EO es el mayor proyecto de autopista en curso en la India. En consecuencia, la autopista corredor NS-EO posee una capacidad de generación de energía de 5.524 MW. De manera similar, se recomienda iniciar las instalaciones de paneles solares en todos los trayectos ferroviarios. Esto abrirá grandes posibilidades de generar energía a corto plazo, que es muy necesaria en la India a fin de sostener el crecimiento industrial agresivo que actualmente tiene un enorme déficit energético.

En resumen, el espacio provisto por las carreteras nacionales puede contribuir a generar gran cantidad de energía exenta del costo adicional de la tierra. Los autores, en función de sus hallazgos, aventuran que su idea puede ser parte integrante de un concepto clave: el gran plan solar, con el agregado de varias ventajas adicionales. Por ejemplo, podría mejorar la eficiencia de los vehículos, que usarán menos energía para el aire acondicionado y sus neumáticos durarán más debido a la sombra, etc. Otro beneficio derivado del techado de las carreteras es el aumento de la vida útil de la carretera misma, ya que reduce el desgaste, ayudando a reducir el gasto en reparaciones. Otro beneficio es la recolección de agua de lluvia en lugares seleccionados. Esto aumenta el nivel de las aguas subterráneas y ayuda a reducir su contenido de flúor y de arsénico.