Las instalaciones fotovoltaicas (PV) son una tecnología líder para generar electricidad verde y reducir las emisiones de carbono. La instalación de paneles solares en los techos de las carreteras ofrece una nueva oportunidad para el desarrollo de la energía fotovoltaica, pero no se ha investigado su potencial de implementación global ni los impactos socioeconómicos asociados. En este trabajo, combinamos el modelado de la producción de energía solar fotovoltaica con la distribución global de las carreteras y el costo nivelado de la electricidad para estimar el potencial y la viabilidad económica de implementar sistemas fotovoltaicos en carreteras en todo el mundo. También cuantificamos sus cobeneficios de reducción de emisiones equivalentes de CO2 y pérdidas de tráfico (muertes por accidentes de tráfico y cargas socioeconómicas). Nuestro análisis revela un potencial para generar 17,58 PWh año-1 de electricidad, de los cuales casi el 56% se puede obtener a un costo inferior a los 100 MWh-1 de EE.UU. Alcanzar el potencial total de la energía fotovoltaica en las carreteras podría compensar el 28,78% (28,21%–29,1%) de las emisiones totales de carbono a nivel mundial en 2018, evitar aproximadamente 0,15 millones de muertes por accidentes de tránsito y reducir las cargas socioeconómicas por valor de 0,43 ± 0,16 billones de dólares al año. Los proyectos de energía fotovoltaica en carreteras podrían generar un retorno neto de alrededor de 14,42 ± 4,04 billones de dólares a lo largo de una vida útil de 25 años. Para explotar todo el potencial de la energía fotovoltaica en las carreteras, los países con distintos niveles de ingresos deben fortalecer la cooperación y equilibrar los múltiples beneficios socioeconómicos colaterales.
Estimamos el potencial de techar las carreteras con paneles solares en todo el mundo y los beneficios asociados
La energía fotovoltaica (FV) global para carreteras podría generar 17,58 PWh al año?1 de electricidad, el 56% de los cuales se puede conseguir a un coste inferior a 100 MWh?1
La energía fotovoltaica para carreteras podría compensar el 28,78% de las emisiones actuales de CO2, evitar 150.000 muertes en accidentes de tráfico y reducir la carga socioeconómica en 0,43 billones de dólares
Resumen en lenguaje sencillo
Se están realizando esfuerzos globales para diversificar las estrategias ambientalmente sostenibles para las instalaciones fotovoltaicas (FV) con el fin de mejorar la accesibilidad a la electricidad verde. En este artículo, proponemos una estrategia innovadora para techar las carreteras con paneles fotovoltaicos y evaluamos su potencial de generación de electricidad y los beneficios socioeconómicos asociados. Nuestro análisis revela que la implementación global de sistemas fotovoltaicos para carreteras en las redes de carreteras existentes tiene el potencial de generar 17.578 TWh de electricidad al año, lo que compensa casi el 28% de las emisiones de carbono globales simultáneas. Además, la energía fotovoltaica en las carreteras podría evitar 150.000 muertes por accidentes de tráfico al año y generar beneficios por valor de 14,42 billones de dólares a lo largo de una vida útil de 25 años. Destacamos que la energía fotovoltaica en las carreteras puede servir como nexo crucial para promover la sostenibilidad humana, ambiental y económica.
1 Introducción
Reemplazar los combustibles fósiles por fuentes de energía renovables se ha convertido en una prioridad crítica en la agenda global (Davis Steven et al., 2018; Luderer et al., 2018). Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas establecen una meta para aumentar sustancialmente la proporción de energía renovable en la combinación energética mundial para 2030 (Schmidt-Traub et al., 2017), y el último informe del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) destaca la necesidad de acciones urgentes para reducir a la mitad las emisiones de carbono para 2030 (IPCC, 2022). En la última década, la capacidad instalada de energía renovable ha crecido de 1,4 TW en 2012 a 3,1 TW en 2021 (IRENA, 2022). La energía solar fotovoltaica (FV) contribuye a más del 40% de este incremento y está preparada para impulsar de manera constante un futuro sostenible (Victoria et al., 2021).
Estos avances son alentadores, pero aún se requieren esfuerzos enormes y más efectivos con urgencia para seguir encaminados hacia el objetivo climático de 1,5 °C y abordar diversos desafíos emergentes (Welsby et al., 2021). Por lo tanto, los países continúan explorando estrategias que no solo reduzcan las emisiones de carbono mediante la expansión del despliegue de energía renovable, sino que también eviten problemas insolubles (Hernandez Rebecca et al., 2015; Rabaia et al., 2021), como la limitada tierra disponible para la instalación de energía fotovoltaica en asentamientos humanos donde la demanda de energía suele ser alta. La implementación de sistemas fotovoltaicos en las autopistas (Figura 1), es decir, la instalación de techos de autopistas con paneles fotovoltaicos, es muy prometedora para aumentar la producción de energía renovable y aliviar la contradicción entre la disponibilidad de terrenos y la accesibilidad energética mediante el uso tridimensional del espacio.
Los detalles se encuentran en el pie de foto que sigue a la imagen
Figura 1Abrir en el visor de figurasPowerPoint Diagrama esquemático del sistema fotovoltaico (PV) de autopistas. La instalación de techos de autopistas con paneles solares genera electricidad ecológica que se entrega a la red para reemplazar la electricidad proveniente de combustibles fósiles, contribuyendo así a la reducción de las emisiones de CO2e. Este sistema fotovoltaico también protege a los automóviles en la autopista de las condiciones climáticas adversas, reduciendo así las pérdidas de tráfico (muertes por accidentes de tránsito y cargas socioeconómicas). Para la iluminación de las carreteras, los paneles fotovoltaicos se unen con materiales transparentes que llenan sus espacios y no se instalan estructuras entre los montantes a ambos lados de las autopistas.
Varios proyectos piloto de energía fotovoltaica en carreteras en China, Estados Unidos (EE. UU.), Alemania, Austria y Suiza ya han demostrado la viabilidad técnica de utilizar la energía fotovoltaica para suministrar electricidad a las áreas de descanso y túneles de las carreteras (Enkhardt, 2020; Steven, 2016). Estos proyectos implican que los beneficios de la energía fotovoltaica en las carreteras encarnan principalmente dos aspectos. En primer lugar, la energía fotovoltaica en las carreteras puede reducir las emisiones de dióxido de carbono equivalente (CO2e) al generar electricidad verde que puede suministrarse a la red, reemplazando así la electricidad que de otro modo se generaría con fuentes de combustibles fósiles. La red mundial de carreteras se extiende por más de 3,2 millones de kilómetros en la Tierra (Meijer et al., 2018). Si el espacio sobre las carreteras se dedica por completo a instalaciones fotovoltaicas, se pueden generar cantidades considerables de electricidad verde para compensar las emisiones de carbono, lo que contribuye a un futuro de emisiones netas cero. Mientras tanto, el uso de superficies de carreteras ya desarrolladas es beneficioso porque esto no aumentaría la impermeabilidad de las cuencas hidrográficas y reduciría la perturbación de las tierras anteriores.
En segundo lugar, la ventaja única de la energía fotovoltaica en carreteras frente a otras energías fotovoltaicas terrestres reside en la enorme reducción de las pérdidas de tráfico en las carreteras. Como la octava causa principal de muerte en todo el mundo (Foreman et al., 2018), los accidentes de tráfico se cobran aproximadamente 1,35 millones de vidas y causan 50 millones de lesiones cada año (OMS, 2018). Se estima que las cargas socioeconómicas asociadas con estos accidentes son de alrededor del 2,7% del producto interno bruto (PIB) en los países de ingresos altos y del 2,2% del PIB en los países de ingresos bajos y medios (Wijnen y Stipdonk, 2016). La energía fotovoltaica en carreteras puede proteger a los automóviles de las condiciones climáticas adversas (por ejemplo, lluvia, nieve y heladas), reduciendo así la incidencia de los accidentes de tráfico y las muertes y cargas socioeconómicas resultantes.
Sin embargo, los dos beneficios colaterales de la energía fotovoltaica en carreteras mencionados anteriormente no han sido ampliamente reconocidos, lo que lleva a que la energía fotovoltaica en carreteras esté subdesarrollada. Como resultado, su papel en la aceleración de la transición energética y el logro de los ODS aún no se ha desempeñado. Aquí, evaluamos el potencial y la viabilidad económica de este sistema fotovoltaico en todo el mundo modelando la generación de electricidad por longitud de la carretera y calculando el costo nivelado de la electricidad (LCOE). Luego cuantificamos las reducciones de emisiones de CO2e en función de los factores de emisión de la red a nivel de país y estimamos las pérdidas de tráfico reducidas a través de un modelo de descomposición probabilística que simula el impacto de las condiciones climáticas de la carretera y la velocidad de conducción en los riesgos de accidentes de tráfico. Nuestro análisis integral revela que se pueden lograr enormes retornos si los sistemas fotovoltaicos de las carreteras se implementan globalmente y destaca que la energía fotovoltaica de las carreteras merece atención en la formulación de planes globales para apoyar los ODS.
La distribución global de carreteras se obtiene de la base de datos del Proyecto de Inventario Global de Carreteras (GRIP) (Meijer et al., 2018), que proporciona longitudes de autopistas, carreteras principales, carreteras secundarias, carreteras terciarias y carreteras locales con una resolución espacial de 5? × 5? para 222 países (Figura S1 en la Información complementaria S1). Los datos se examinaron estrictamente para comprobar su calidad en términos de cobertura espacial, error de posición, integridad de la información de atributos, escala, antigüedad de los datos, etc. Descomponemos la longitud de la carretera del píxel central a lo largo de las direcciones norte-sur (N-S), este-oeste (E-O), noroeste-sureste (NO-SE) y noreste-sur (NE-SO) de acuerdo con las longitudes de las carreteras en ocho píxeles vecinos (Figura S2 en la Información complementaria S1). En este estudio, nos centramos en techar autopistas y carreteras principales con paneles solares (denominados colectivamente «fotovoltaica de carreteras» a menos que se especifique lo contrario) al tiempo que evaluamos el posible incremento de extender este concepto a las carreteras secundarias. Las autopistas son las principales carreteras nacionales o regionales diseñadas para el tráfico vehicular de alta velocidad sin acceso directo desde propiedades o carreteras secundarias; las carreteras principales son las arterias principales que transportan grandes volúmenes de tráfico dentro o entre áreas; y las carreteras secundarias son arterias menores que conectan ciudades más pequeñas con una densidad de tráfico menor que las carreteras principales. Para conocer las características detalladas de estos tipos de carreteras, consulte la Tabla S1 en la Información complementaria S1. Se observa que la instalación de paneles solares en los túneles de las carreteras no es práctica, pero no podemos filtrar los túneles debido a la falta de atributos de la carretera. Dado que la proporción de la longitud del túnel de la carretera es inferior al 1 % a escala global (Tabla S2 en la Información complementaria S1), la incertidumbre causada por los túneles no alterará de manera concluyente nuestras estimaciones.
La energía fotovoltaica en la carretera se ilustra en la Figura 1. Consideramos la instalación de módulos fotovoltaicos de polisilicio con una potencia máxima de 250 W. La longitud y el ancho del módulo son 1,650 m y 0,992 m, respectivamente. El lado largo del módulo fotovoltaico está diseñado para estar orientado a lo largo de la línea central de la carretera. Suponemos que el ancho de la carretera cumple con los estándares generales de diseño de carreteras que obtenemos de los informes emitidos por la Comisión Económica y Social de las Naciones Unidas para Asia y el Pacífico, la Asociación Estadounidense de Funcionarios de Carreteras Estatales y Transporte, la Asociación Mundial de Carreteras y otras fuentes en línea (Tabla S1 en la Información complementaria S1). Bajo este supuesto, la densidad de capacidad de la instalación fotovoltaica es de 4,84, 3,93 y 2,12 kW m?1 para autopistas, carreteras principales y carreteras secundarias, respectivamente. Para la iluminación de la carretera, los paneles fotovoltaicos se empalman con materiales transparentes que llenan sus huecos y no se instalan estructuras entre los montantes a ambos lados de las carreteras. Además, los paneles fotovoltaicos se fijan en un ángulo de inclinación de diez grados (Jacobson y Jadhav, 2018) hacia el exterior de las carreteras, lo que permite que la precipitación limpie naturalmente los paneles solares (Li et al., 2020). Los techos fotovoltaicos están a 5,5 m por encima de las carreteras. Varios proyectos piloto en China, Estados Unidos, Alemania, Austria y Suiza ya han demostrado la viabilidad técnica de este tipo de instalación fotovoltaica en carreteras (Enkhardt, 2020; Steven, 2016).
El Estimador Global de Energía Solar (GSEE) de código abierto (Pfenninger y Staffell, 2016) se utiliza para modelar la generación de electricidad fotovoltaica en carreteras. El GSEE toma como entradas la radiación solar horizontal directa (Rdir,h) y difusa (Rdif,h) por hora y la temperatura ambiente (Ta). La irradiancia directa (Rdir,p) y difusa (Rdif,p) en los paneles solares se calcula en función de la geometría de la instalación fotovoltaica y la posición del sol como:
(1)
(2)
(3)donde ? denota el ángulo entre los rayos del sol y los paneles solares, ?A el ángulo acimutal solar, ?z el ángulo cenital solar, ?t el ángulo de inclinación fotovoltaica, ?A el ángulo acimutal fotovoltaico y ? el albedo de la superficie (valor predeterminado 0,3). La irradiancia de los paneles se reduce aún más por el sombreado, la suciedad y los efectos de reflexión múltiple (se supone una pérdida constante del 2%). La temperatura del módulo fotovoltaico (Tm) varía con Ta y la irradiancia incidente (G, la suma de Rdir,p y Rdif,p) como:
(4)en la que cT es el parámetro de sensibilidad de la temperatura a la radiación solar (Huld et al. (2010) sugieren 0,035 °C W?1 m2). Suponemos una pérdida del 10 % en la conversión de corriente continua a corriente alterna, según los experimentos realizados en 1029 sitios en Europa (Pfenninger y Staffell, 2016). La capacidad instalada se establece en 1 kW, lo que hace que la salida sea igual al CF, definido como la relación entre la salida real de un módulo fotovoltaico (kWh) y su salida máxima en una condición de prueba estándar (kWp) durante un período específico. La radiación solar horaria (Rdir,h y Rdif,h) y la temperatura (Ta) se toman del conjunto de datos ERA5 (Hersbach et al., 2020), que se ha utilizado ampliamente en una variedad de áreas y ha demostrado ser de alta precisión. Para cada cuadro de la cuadrícula, simulamos el CF de los paneles solares con ocho ángulos de acimut diferentes (?A ? {0°, 45°, …, 315°}, Figura S3 en la Información complementaria S1).
