¿Por qué los paneles solares no contribuyen al calentamiento global?

Question

Hace tiempo que me lo pregunto, pero aún no he encontrado una explicación.

Esto es desde mi comprensión de la física, que no es en absoluto experta, así que perdón por mi burda explicación:

La energía dentro de la tierra puede considerarse un sistema cerrado; se transforma pero no puede crearse ni destruirse -- y por lo que tengo entendido, el calor parece ser su forma más natural, así que siempre acabará así de alguna manera.

Hay dos cosas que afectan a la suma total de energía en la Tierra: la radiación hacia el espacio drena energía (y está limitada por la presencia de la atmósfera). La radiación del sol añade energía al sistema.

Básicamente, el sol es nuestra única fuente real de energía (y podemos considerarla ilimitada, ya que cuando el sol se agota, se acaba de todos modos).

Según tengo entendido, los paneles solares aumentan la eficiencia de cómo "cosechamos" esta energía solar, reflejando menos de ella hacia el espacio, y convirtiendo más de ella en energía en (en este caso, eléctrica). Así que tomamos más energía de el sol mediante la colocación de paneles solares. Pero la cantidad de energía que se extrae del sistema sigue siendo la misma.

Por lo tanto, la suma total de energía en la Tierra aumenta (más) cuando utilizamos paneles solares. Entonces, ¿cómo es que los consideramos una forma de contrarrestar el calentamiento global, en lugar de un factor que contribuye?

edit: ya que todas las respuestas se refieren a la comparación de las células solares con los combustibles fósiles, permítanme aclarar un poco más.

Entiendo que los combustibles fósiles contribuirán más al cambio climático que las células solares pero sólo quería aclarar que me parece que ambos son negativos en términos netos (no si se sustituye uno por otro). En otras palabras, que la idea de que las células solares son 100% limpias (aparte del coste de producción), no es realmente cierta, entonces. La eólica o la hidroeléctrica sin embargo, sí lo serían, ya que utilizan energía que ya está presente en el sistema terrestre. (y por supuesto lo que realmente necesitamos es requerir menos energía)

Answer 1

La finalidad de las células solares es generar electricidad. Esto puede sustituir a la electricidad generada por la quema de combustibles fósiles para obtenerla. El hecho de que empiece a ser práctico hacer funcionar los vehículos con electricidad significa que podemos también sustituyen a los combustibles fósiles quemados para alimentar a los vehículos, lo que mejora aún más las cosas.

Pero concentrémonos en la generación de electricidad. Tu análisis ignora dos cosas, una menor y otra absolutamente crucial:

1. El punto menor: La generación de electricidad mediante la quema de combustibles fósiles también añade calor al planeta. Por ejemplo, sólo un tercio de la energía liberada al quemar carbón en una central eléctrica de carbón se convierte en electricidad; el resto es calor residual.
2. El punto principal: Las centrales eléctricas de combustibles fósiles producen continuamente CO2.

Este post en RealClimate hace un excelente trabajo al repasar los detalles. Para tomar un caso extremo poco realista, suponen que las células solares son perfectamente negras (albedo = 0), e ignoran el hecho de que las células solares reales se instalan a veces en superficies ya oscuras (como los tejados). Para generar el actual suministro mundial de electricidad de 2 billones de vatios, las células solares perfectamente negras añadirían unos 6,7 billones de vatios debido al calor residual. Como señalan, la eficiencia de las plantas de combustibles fósiles significa que 2 billones de vatios de energía eléctrica irían acompañados de unos 6 billones de vatios de calor residual.

Así que si se sustituyen las centrales eléctricas de combustibles fósiles por centrales de células solares, en realidad no cambia la producción de calor residual.

Pero tú hacer cambiar la producción de CO2, y eso es crucial, porque el calor añadido a la atmósfera por la adición de CO2 es órdenes de magnitud mayor que el calor residual del propio proceso de generación de energía. (Se trata de un proceso continuo: cada segundo de funcionamiento de las centrales eléctricas de combustibles fósiles, se añade más CO2 a la atmósfera).

... para cuando hayan pasado cien años, el calor atrapado cada año del CO2 emitido por el uso del carbón en lugar de la energía solar para producir electricidad es 125 veces mayor que el efecto del calor residual de los combustibles fósiles. de los combustibles fósiles. Y recuerde que el calor residual incremental de cambiar a solar es incluso menor que el calor residual de los combustibles fósiles. Y lo que es Además, como cada año que pasa se acumula más CO2 en la atmósfera, el calor atrapado por el CO2 sigue aumentando, mientras que el efecto del calor residual de los combustibles fósiles o de las células solares necesarias para producir una determinada cantidad de electricidad se mantiene fijo.

(Si se quiere, se puede argumentar que deshacerse de la generación de electricidad totalmente -- El cierre de todas las centrales eléctricas, ya sean solares o de combustibles fósiles, sería ligeramente mejor que convertir la generación de electricidad en solar. Pero esa es una diferencia muy pequeña, y no es realmente una opción si se quiere seguir teniendo algún tipo de civilización humana en el planeta).

Answer 2

Los paneles solares son buenos para el calentamiento global porque causan menos (mucho menos) calentamiento de la superficie que la cosecha de energía equivalente debida a la quema de combustibles fósiles.

Un modelo demasiado simplificado

Para ver el porqué de esto, consideremos un modelo (¡muy simplificado!) de lo que debería ser la temperatura de la superficie. En este modelo sólo consideraremos la luz solar entrante y supondremos que toda ella llega a la superficie (esto es erróneo, pero suficiente).

En la superficie ocurren dos cosas:

• una parte de la luz solar se refleja y (por la misma hipótesis anterior) vuelve directamente al espacio;
• una cierta proporción es absorbida, y hace que la superficie se caliente.

Debido a que la superficie está caliente, ahora irradia como un cuerpo negro (o como un cuerpo aproximado), y la mayor parte de esta radiación se encuentra en el infrarrojo (si no es así, probablemente no te interese vivir en este planeta, ya que su superficie es visiblemente brillante).

Por desgracia, el ambiente es no transparente al infrarrojo, por lo que una parte de la radiación saliente de la superficie se absorbe en la atmósfera y luego se rerradia, y una parte de esta rerradiación vuelve a bajar a la superficie. Este proceso es bastante complicado porque hay que saber a qué longitudes de onda no es transparente la atmósfera, y luego resolver un montón de peliagudas ecuaciones de transferencia radiativa, por no hablar de las nubes, la convección, el viento, etc.

Pero hay una respuesta sencilla y obvia para los físicos: el resultado final de este proceso en torno a los infrarrojos (lo que un científico del clima llamaría "onda larga") en la atmósfera es que la superficie acaba siendo un poco más cálida de lo que cabría esperar si no hubiera atmósfera.

(Nótese que he ignorado por completo la componente IR de la radiación entrante del Sol, algo que un modelo adecuado no debería hacer).

Así que, de acuerdo, ahora consideraremos dos ajustes a este modelo: los paneles solares y la quema de combustibles fósiles.

Paneles solares

Los paneles solares capturan parte de la luz visible/UV del Sol, y la convierten en infrarroja (mediante el funcionamiento de máquinas &c y, en última instancia, la calefacción). No está del todo claro si los paneles solares reducen o aumentan la proporción de luz solar que se refleja directamente (es decir, si tienen un albedo mayor o menor que la superficie que cubren), pero supongamos que lo reducen, por lo que su resultado neto es reducir el albedo de la superficie y aumentar la cantidad de infrarrojos que se irradian. Esto hace que la temperatura de la superficie aumente ligeramente.

Combustibles fósiles

Estos no hacen nada al albedo, (en realidad, sí lo hacen: lo bajan debido al hollín, pero también vierten hollín en la atmósfera que la hace menos transparente a la luz visible y todo esto es un proceso complicado que ignoraremos pero que importa mucho de hecho). Crean dos cosas:

• aproximadamente la misma cantidad de infrarrojos que los paneles solares para la misma cantidad de energía, lo que calienta ligeramente la superficie (este calentamiento proviene de la energía previamente atrapada en los combustibles fósiles, y capturada allí hace tiempo desde el Sol);
• $\mathrm{CO_2}$ en grandes cantidades.

Por desgracia, $\mathrm{CO_2}$ es uno de los componentes de la atmósfera que absorbe y rerradia infrarrojos, por lo que esta emisión de $\mathrm{CO_2}$ aumenta la temperatura de la superficie mediante el proceso descrito anteriormente.

¿Qué provoca un mayor calentamiento de la superficie?

Para saber cuál de ellas causa más calentamiento hay que modelar el sistema con cierto detalle (y es precisamente porque estos modelos acaban siendo bastante complicados lo que permite a los negacionistas una vía de entrada). Pero una forma de entrar es comparar la cantidad de energía que viene del Sol (y que es irradiada) y la energía que generan los humanos.

La constante solar, que es el flujo de energía del Sol que atraviesa la órbita de la Tierra es de aproximadamente $1360\,\mathrm{W/m^2}$ y esto significa que la cantidad de energía que el Sol entrega a la Tierra en la parte superior de la atmósfera es de aproximadamente $1.7\times 10^{17}\,\mathrm{W}$ . La generación de energía humana en 2013 fue de unos $1.8\times 10^{13}\,\mathrm{W}$ .

Esto significa que el flujo de energía del Sol es de aproximadamente $10^4$ veces mayor que la generación de energía humana: incluso un cambio relativamente minúsculo en la cantidad que contribuye al calentamiento de la superficie empequeñecerá por completo cualquier calentamiento debido a la generación de energía humana. Otra forma de pensar en esto es que toda la generación de energía humana es aproximadamente $0.04\,\mathrm{W/m^2}$ . El desequilibrios en el flujo solar debido a los cambios en los gases de efecto invernadero son del orden de $1\,\mathrm{W/m^2}$ mucho más.

El modelo simplista del cuerpo negro

Otra forma de ver esto es considerar un modelo de cuerpo negro sin sentido: supongamos que no hay atmósfera y que la Tierra es un cuerpo negro perfecto iluminado por el Sol: cuál sería su temperatura. Si pensamos un poco, veremos que la temperatura sería de

$$T_S = \left(\frac{F}{4\sigma}\right)^\frac{1}{4}$$

Dónde $F$ es el flujo solar entrante, y $\sigma$ es la constante de Stefan-Boltzmann. Y ésta resulta ser $278\,\mathrm{K}$ o alrededor de $5\,\mathrm{C}$ . Esto es más frío de lo que realmente es en promedio, pero es una primera estimación decente.

Así que ahora, hagámoslo para la generación de energía humana. La fórmula aquí es

$$T_H = \left(\frac{H}{4\pi R^2\sigma}\right)^\frac{1}{4}$$

Dónde $H$ es la generación de energía humana y $R$ es el radio de la Tierra.

Y esto es sobre $28\,\mathrm{K}$ . Y recuerda que el flujo de energía va como el cuarta potencia de la temperatura ( $\sigma T^4$ ): la generación de energía humana no es en cualquier lugar cerca de calentando el planeta de forma significativa. Esto se puede ver fácilmente si se considera la diferencia entre un planeta calentado totalmente por el Sol y otro en el que se añade la generación de energía humana:

$$ \begin{align} \Delta T &= \left(\frac{F}{4\sigma} + \frac{H}{4\pi R^2\sigma}\right)^\frac{1}{4} - \left(\frac{F}{4\sigma}\right)^\frac{1}{4}\\ &\approx 0.007\,\mathrm{K} \end{align} $$

Esto es completamente insignificante.

Answer 3

Un simple cálculo de bolsillo:

Esta figura muestra nuestras mejores estimaciones de la forzamiento radiativo de diferentes fenómenos antropogénicos (causados por el hombre):

Muestra que el forzamiento radiativo antropogénico $\mathrm{CO_2}$ es el mayor componente, con aproximadamente $1.5 \,\mathrm{W/m^2}$ .

El mundo total generación de electricidad es aproximadamente $25000$ TWh/año. Esto supone aproximadamente $2.9 \,\mathrm{TW} = 2.9\cdot 10^{12} \,\mathrm{W}$ . La superficie toal de la Tierra es de aproximadamente $510 \,\mathrm{million \,km^2}$ que es $510 \,\mathrm{trillion \,m^2} = 510\cdot 10^{12} \,\mathrm{m^2}$ . Así que si la relación entre el calor producido y la electricidad generada era $1$ para toda la producción de electricidad, el forzamiento radiativo de esto sería:

$$ \frac{2.9\cdot 10^{12} \,\mathrm{W}}{510\cdot 10^{12} \,\mathrm{m^2}} = \frac{2.9}{510} \,\mathrm{W/m^2} \approx 0.0057 \,\mathrm{W/m^2} $$

En la actualidad, la eficiencia de los paneles fotovoltaicos comerciales no va mucho más allá de $20\%$ por lo que si queremos hacer un cálculo en el peor de los casos para un escenario con sólo paneles solares con la generación total de electricidad actual, podríamos utilizar una relación calor-electricidad de $5$ . Esto da $\sim 0.03 \,\mathrm{W/m^2}$ . Esto sigue siendo un factor de $50$ menor que el forzamiento radiativo antropogénico $\mathrm{CO_2}$ en los niveles actuales.

Conclusión:

Se trataba de un simple cálculo para demostrar que el calor de la generación de electricidad es una contribución insignificante al cambio climático global, incluso si cambiamos toda la generación de electricidad por la fotovoltaica. Y este cálculo ni siquiera se molesta en tener en cuenta que la energía fotovoltaica no absorbe toda la luz, que la superficie sobre la que se coloca también absorbe algo de luz, o que muchas fuentes alternativas de electricidad (sobre todo la combustión de combustibles fósiles y la energía nuclear) también generan calor. Si lo hiciéramos, el forzamiento radiativo neto de cambiar toda la generación de electricidad a la fotovoltaica sería aún más insignificante.

Answer 4

paneles solares aumentan la eficiencia de cómo "cosechamos" esta energía solar energía solar, reflejando menos en el espacio y convirtiendo más en en energía (en este caso, eléctrica).

No soy un experto, pero no creo que eso sea cierto.

La luz del sol que incide en un panel solar produce algo de electricidad y algo de calor, y parte de la energía se refleja. Lo mismo ocurre con la luz solar que NO incide en un panel solar, excepto la parte de la electricidad. No creo que haya ninguna razón inherente para que un panel solar refleje menos. El calor total + la electricidad producida por un panel podría ser igual o incluso menor que el calor producido por la tierra, la roca o el asfalto. Y obviamente el producto será realmente útil, a diferencia del calor residual.

Answer 5

Las ventajas de una central eléctrica de paneles solares en sustitución de una central de carbón (u otro combustible fósil) son múltiples:

1) se quema menos combustible fósil, por lo que se puede utilizar de otra manera, por ejemplo, como fuente de diversos productos químicos orgánicos;

2) mucha menos contaminación del medio ambiente cerca de la planta;

3) el mero funcionamiento de un panel solar apenas libera gases de efecto invernadero

...

Dicho esto, la fabricación, instalación y mantenimiento de los paneles solares produce gases de efecto invernadero y contaminación. Los paneles solares tienen una vida útil, tras la cual hay que fabricar uno nuevo y desechar el viejo. La contaminación puede ser mucho mejor que la quema de fósiles, pero depende de cómo se gestione el ciclo de vida de los paneles.

(Entiendo que sigue siendo mejor que la quema de combustibles fósiles, pero sigo pensando que es un negativo neto)

Creo que esto es correcto. La mayor parte de la energía eléctrica de la red, cuando se consume, contribuye a calentar el planeta (la síntesis de productos químicos ricos en energía puede ser una excepción, pero creo que la energía así consumida es insignificante en comparación con el resto). Cuando se genera 1kWh de energía útil:

• al quemar combustibles fósiles, se liberan muchos más kWhs de calor residual, y también se liberan gases de efecto invernadero;

• Al aprovechar la energía de la radiación solar, se libera mucho menos calor residual y casi no se emiten gases de efecto invernadero. Pero, aún así, un poco de calor residual se libera .

La energía dentro de la tierra puede considerarse un sistema cerrado; se transforma pero no puede crearse ni destruirse -- y por lo que tengo entendido, el calor parece ser su forma más natural, así que siempre acabará así de alguna manera.

La Tierra no es un sistema cerrado. Intercambia energía con el espacio circundante, a través de la radiación EM y la gravedad (mareas) y también hay interacción con las partículas cósmicas (viento solar...).

Básicamente, el sol es nuestra única fuente real de energía (y podemos considerarla ilimitada, ya que cuando el sol se agota, se acaba de todos modos).

También están los combustibles fósiles, que proporcionan energía sin ayuda del Sol. Y también hay elementos radiactivos como el uranio, que son una fuente sustancial de energía disponible, también sin ayuda del Sol.

Según tengo entendido, los paneles solares aumentan la eficiencia de cómo "cosechamos" esta energía solar, reflejando menos de ella hacia el espacio, y convirtiendo más de ella en energía en (en este caso, eléctrica).

Si se compara tener un panel solar con no tener ninguno, entonces sí, se refleja menos y se almacena más en la superficie de la Tierra.

Pero la cantidad de energía que se elimina del sistema sigue siendo la misma.

No estoy seguro de lo que quiere decir aquí; la cantidad de energía irradiada al espacio disminuye al introducir grandes áreas de paneles solares, porque lo que habría sido reflejado hacia el espacio, ahora será absorbido en la superficie de los paneles solares y parcialmente transformado en energía eléctrica.

Por tanto, la suma total de energía en la Tierra aumenta (más) cuando utilizamos paneles solares. Entonces, ¿cómo es que los consideramos una forma de contrarrestar el calentamiento global, en lugar de un factor que contribuye?

Porque se supone que la energía que proporcionan hará que la gente disminuya la quema de los combustibles fósiles. Esto disminuirá la producción de gases de efecto invernadero, pero no su cantidad en la atmósfera. Por lo tanto, el beneficio inmediato consiste en detener el aumento de la cantidad de gases de efecto invernadero provocado por el hombre. Con el tiempo, la cantidad de gases de efecto invernadero puede incluso disminuir por procesos naturales (crecimiento de plantas/algas) y la atmósfera puede enfriarse.