El aprovechamiento térmico de la energía solar ha sido realizado desde la antigüedad por nuestra sociedad, siendo una forma sencilla y eficiente de convertir energía para diversas aplicaciones, desde calentamiento de agua, insumo para procesos industriales, deshidratación y cocción de alimentos hasta para la generación de electricidad.
Los edificios comerciales, públicos y residenciales son responsables de gran parte del consumo eléctrico en Brasil y, en los hogares brasileños, la ducha eléctrica es el equipamiento con mayor participación en ese consumo. Una alternativa para reducir el consumo eléctrico, especialmente en el sector residencial, es el uso de calentadores de agua solares. La Figura 6.1 ilustra el funcionamiento de un calentador solar residencial.
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Figura 6.1 - Esquema de un sistema doméstico de bajo coste para calentar agua mediante energía solar.
El Estado de Paraíba, aunque no presenta altas amplitudes térmicas durante todo el año en comparación con los estados del sur y sureste, aún puede beneficiarse del uso de energía solar térmica en procesos industriales que demandan agua calentada. La industria textil y las agroindustrias, como la de productos lácteos y los galpones procesadores de frutas, son algunos ejemplos de sectores que podrían reducir el consumo de electricidad (o leña) a partir de la calefacción solar térmica para sus procesos industriales.
La energía solar térmica también se puede utilizar para generar electricidad. Se están desarrollando plantas helio-térmicas o CSP (Concentrated Solar Power) de forma experimental y incluso comercial con el fin de añadir estabilidad a la generación de electricidad solar. Los concentradores constan de campos de espejos, en la configuración de torre central, o de cilindros parabólicos/espejos de Fresnel en la concentración lineal (la Figura 2.10, citada anteriormente, ilustra estos sistemas). En ambos, el calor se utiliza para vaporizar un fluido y mover turbinas convencionales acopladas a generadores. Las plantas con torres centrales aún enfrentan obstáculos para su implementación en Brasil debido a la alta variabilidad de la irradiación solar en lugares con mayor insolación, debido a las características de la atmósfera tropical, además de los altos costos de implantación y operación, que dificultan estos proyectos, tornándolos poco competitivos. Por otro lado, las soluciones híbridas que combinan un concentrador solar lineal con otra fuente de calor complementaria (como la biomasa) vienen ganando atención y pueden convertirse en alternativas importantes para integrar la matriz de generación brasileña en el futuro.
Si bien la radiación solar no es una fuente de energía despachable, ya que depende de las fluctuaciones del entorno meteorológico, las plantas híbridas solar-eólicas han surgido como una alternativa para reducir esta variabilidad en el parque generador, además de reducir costos al compartir infraestructura. En este contexto, los estados del noreste de Brasil se destacan por la abundancia de estas dos fuentes de energía. Además, considerando que el SIN es alimentado principalmente por centrales hidroeléctricas, por lo que muestra una fuerte dependencia del régimen hídrico, el mismo puede beneficiarse de la penetración de la fuente solar. Como regla general, los períodos secos se caracterizan por una menor nubosidad y, por tanto, mayores niveles de irradiación solar. Períodos de vientos (alisios) más intensos también se caracterizan por menos precipitaciones en la región noreste, como ya han demostrado varios estudios. Así, la complementariedad entre fuentes hidro-solares-eólicas (Figura 6.2) se presenta como una oportunidad importante para maximizar el uso de energías renovables con seguridad y bajo impacto ambiental.
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Figura 6.2 - Diagrama sistematizador de posibles complementariedades entre fuentes renovables, así como sus respectivas escalas de variabilidad.
Fuente: André Gonçalves, 2017.
El hidrógeno producido a partir de fuentes renovadas de energía, conocido como hidrógeno verde, se está destacando como un nuevo vector energético para la descarbonización de las matrices de energía en todo el mundo. Además de los mercados tradicionales de fertilizantes, refinado y otros usos (como gases industriales y hospitalares, entre otros), nuevos mercados para el hidrógeno verde pueden ser desarrollados en los segmentos de transporte, generación eléctrica, almacenamiento de energía y procesos industriales. Metas de neutralidad climática y de seguridad energética están llevando economías sólidas de países de Europa y Asia a lanzar inversiones importantes de incentivo a una transición energética basada en hidrógeno verde. Sin embargo, muchos de estos países no disponen del elevado potencial de energía renovable de Brasil, desfavoreciendo su producción local y abriendo un mercado prometedor para la exportación de ese producto en Brasil. Particularmente los estados del nordeste brasileño poseen altos niveles de irradiación solar a lo largo del año, con una baja variabilidad interanual y decenal y estas condiciones pueden ser ideales para el desarrollo de plantas generadoras de hidrógeno verde. Sin embargo, la producción de hidrógeno verde a través de electrólisis de agua, requiere más de 18 litros de agua potable para producir un kilogramo de hidrógeno, considerando la situación actual de la tecnología. Esto representa un desafío en un estado en el que los recursos hídricos son escasos, exactamente en las localidades con los mayores niveles de irradiación solar. La Figura 6.3 presenta el esquema de producción del hidrógeno verde.
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Figura 6.3 - Proceso productivo del hidrógeno verde, considerando la energía eléctrica procedente de fuentes renovables solar y eólica.
La generación de energía solar juega un papel importante en el paradigma del crecimiento económico moderno, sostenible y con bajo impacto ambiental. Como fuente libre de emisiones durante la generación eléctrica, la energía solar puede reducir las emisiones de CO₂ del sector de generación eléctrica, ya que cada MWh de energía generada con la fuente solar evita entre 534 y 1143 kg de CO₂ equivalente emitidos a la atmósfera en las centrales termoeléctricas alimentadas con combustibles fósiles.
La diversificación y electrificación de la matriz energética brasileña representa una oportunidad ambiental y económica si se lleva a cabo sobre bases predominantemente renovables. En este contexto, la energía solar se destaca entre las tecnologías bajas en carbono en al menos tres aspectos clave:
La rápida evolución de los sistemas de almacenamiento, como las baterías, el almacenamiento térmico o, en el futuro, el hidrógeno verde, se suma a las ventajas promovidas por la energía solar, ya que permitirá impulsar la descarbonización de sectores más difíciles, como el transporte y las industrias del cemento y del acero. En este sentido, la energía solar se presenta como la principal alternativa para un posicionamiento estratégico del país en el mercado del hidrógeno verde, que podría convertir a Brasil en uno de los países más competitivos del mundo en este producto en el largo plazo.
Según datos de la Asociación Brasileña de Energía Solar Fotovoltaica (ABSOLAR), el uso de tecnologías de aprovechamiento de la energía solar ya generó más de 390.000 puestos de trabajo entre 2012 y 2020, siendo la mayor parte del segmento de generación distribuida, debido a la fuerte expansión de este sector. La generación de empleos directos se da principalmente en las actividades de instalación de sistemas fotovoltaicos, beneficiando principalmente al perfil de formados en instituciones de enseñanza media técnica y profesionalizante, como se ilustra en la Figura 6.4. Los empleos indirectos están asociados a la cadena del acero, aluminio, cobre y hormigón, como resultado de los materiales utilizados en las instalaciones.
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Figura 6.4 - Perfil de los empleos directos generados por el sector de la energía solar.
Fuente: ABSOLAR.
Para el estudio de la variabilidad climática, se seleccionaron cuatro importantes ciudades representativas del Estado de Paraíba, como se muestra en la Figura 6.5.
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Figura 6.5 - Localidades representativas para las cuales se generaron gráficos de variabilidad: João Pessoa, Campina Grande, Patos y Sousa.
El recurso solar se caracteriza por una alta variabilidad diaria debido al ciclo diurno y una moderada variabilidad intra-estacional. En el Estado de Paraíba, donde el promedio anual de irradiación global es de 5,71 kWh/m², los totales diarios pueden variar de 2,0 kWh/m² a 8,0 kWh/m², dependiendo de los sistemas meteorológicos actuantes. Por otro lado, el recurso solar presenta poca variabilidad a lo largo de los años para el Estado de Paraíba, de modo que la variación entre un año de mayor potencial y otro de menor potencial solar suele ser inferior al 5,0% alrededor del valor climático medio, como se muestra en la Figura 6.6. Esta variabilidad es menor que la variabilidad estacional observada en los diagramas de caja (box-plot). Estos datos demuestran la gran estabilidad interanual de la generación solar, comparando con otras fuentes renovables disponibles en la región, como eólica e hídrica. En cuanto a las tendencias, los escenarios climáticos futuros indican una ligera reducción (del 1% al 2%) del potencial solar en las mesorregiones de Sertão Paraibano, Borborema y Agreste Paraibano hasta mediados de siglo, aunque todavía existe una gran incertidumbre sobre estos impactos.
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de João Pessoa 
Figura 6.6 - Gráficos de variabilidad climática del recurso solar en cuatro localidades representativas: João Pessoa, Campina Grande, Patos y Sousa. El diagrama de caja (arriba) muestra la variabilidad estacional a través de la distribución de promedios mensuales a lo largo del año. El promedio anual está indicado como una línea discontinua. El gráfico de variación (abajo) muestra la variación de las medias anuales alrededor de la media de largo plazo (climática).
Al observar la variación de la irradiación solar en las cuatro localidades, se percibe que el recurso de energía solar presentó una variación positiva en los años 2015 y 2016 para todas las localidades. Por otro lado, el recurso solar presentó valores por debajo de la media en las cuatro localidades en 2018, con una reducción de hasta el 3,5% con relación a la media del periodo de 10 años.
La Figura 6.7 muestra la variabilidad diaria para cada componente de la irradiación solar en Paraíba estimada por la desviación estándar (σ) de la irradiación diaria total a lo largo de los años. En principio, la desviación estándar puede ser útil para estimar qué tan diferentes son los días alrededor de la media (μ), de modo que μ +/- σ contiene el 68,2% de los días, μ +/- 2σ contiene el 95,6% de los días, y así sucesivamente, suponiendo distribuciones aproximadamente gaussianas.
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Figura 6.7 - Desviación estándar (σ) de la irradiación diaria total (a) horizontal global; (b) global en el plano inclinado; (c) directa normal y (d) difusa horizontal obtenidos durante los años 2012 a 2021.
En los mapas presentados se puede apreciar que la mayor variabilidad del GHI (más de 600 Wh/m²) tiene lugar en la porción suroeste de la región intermediaria de Campina Grande (cerca del municipio de Monteiro), además de en pequeñas porciones de las regiones intermedias de João Pessoa. (cerca de la costa) y Patos. El DNI, por el contrario, muestra mayor variabilidad al noroeste de la región intermedia de Souza-Cajazeiras, alcanzando valores superiores a 800 Wh/m². La irradiación global en plano inclinado (GTI) presenta una variabilidad un 20% menor que la GHI, alcanzando valores máximos en el rango de 500 Wh/m². Por otro lado, la irradiación difusa horizontal DHI muestra baja variabilidad en todo el estado, con valores absolutos en el rango de 150 – 300 Wh/m².
