Esta es la respuesta más completa que te podemos compartir, sin embargo mírala detenidamente y analiza si es compatible a tu proyecto.
Solución:
El propósito de las células solares es generar electricidad. Esto puede reemplazar la electricidad generada al quemar combustibles fósiles para generar electricidad. El hecho de que sea práctico hacer funcionar vehículos con electricidad significa que podemos además reemplazar los combustibles fósiles quemados para impulsar los vehículos, lo que hace que las cosas sean aún mejores.
Pero concentrémonos en generar electricidad. Su análisis ignora dos cosas, una menor y otra absolutamente crucial:
- El punto menor: generar electricidad mediante la quema de combustibles fósiles. además agrega calor al planeta. Por ejemplo, solo alrededor de 1/3 de la energía liberada al quemar carbón en una central eléctrica de carbón se convierte en electricidad; el resto es calor residual.
- El punto principal: las plantas de energía de combustibles fósiles producen continuamente CO2.
Esta publicación sobre RealClimate hace un excelente trabajo al repasar los detalles. Para tomar un caso extremo poco realista, asumen que las células solares son perfectamente negras (albedo = 0) e ignoran el hecho de que las células solares reales a veces se instalan en superficies ya oscuras (como techos). Para generar el suministro eléctrico mundial actual de 2 billones de vatios, las células solares perfectamente negras agregarían alrededor de 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 aproximadamente 6 billones de vatios de calor residual.
Entonces, si reemplaza las plantas de energía de combustibles fósiles con plantas de energía de células solares, realmente no cambia la producción de calor residual.
Pero tu hacer cambiar la producción de CO2, y eso es crucial, porque el calor agregado a la atmósfera al agregar CO2 es órdenes de magnitud más grande que el calor residual del propio proceso de generación de energía. (Este es un proceso continuo: cada segundo que ejecuta las plantas de energía de combustibles fósiles, agrega más CO2 a la atmósfera.)
… cuando han pasado cien años, el calor atrapado cada año por el CO2 emitido por el uso de carbón en lugar de energía solar para producir electricidad es 125 veces el efecto del calor residual de los combustibles fósiles. Y recuerde que el calor residual incremental al cambiar a celdas solares es incluso menor que el calor residual de los combustibles fósiles. Además, debido a que cada año que pasa se acumula más CO2 en la atmósfera, el calor que atrapa el CO2 continúa aumentando, mientras que el efecto del calor residual de los combustibles fósiles o las células solares necesarias para producir una determinada cantidad de electricidad permanece fijo.
(Si lo desea, puede argumentar que deshacerse de la generación de electricidad enteramente – cerrar todas las plantas de energía, solares o alimentadas con combustibles fósiles, sería marginalmente mejor que convertir la generación de electricidad en energía solar. Pero esa es una diferencia muy pequeña, y en realidad no es una opción si quieres seguir teniendo algún tipo de civilización humana en el planeta).
Los paneles solares son buenos para el calentamiento global porque causan menos (mucho menos) calentamiento de la superficie que la recolección de energía equivalente debido a la quema de combustibles fósiles.
Un modelo demasiado simplificado
Para ver por qué esto es, considere un modelo (¡muy simplificado!) De cuál debería ser la temperatura de la superficie. En este modelo, solo consideraremos la luz solar entrante y asumiré que todo esto llega a la superficie (esto está mal, pero es suficientemente bueno).
Suceden dos cosas en la superficie:
- parte de la luz del sol se refleja y (según el mismo supuesto anterior) vuelve directamente al espacio;
- cierta proporción se absorbe y hace que la superficie se caliente.
Debido a que la superficie está caliente, ahora irradia como un cuerpo negro (o como un aproximado), y la mayor parte de esta radiación está en el infrarrojo (si no lo es, probablemente no estés interesado en vivir en este planeta, ya que su superficie es brillando visiblemente).
Desafortunadamente, el ambiente es no Transparente a infrarrojo, por lo que parte de la radiación que sale de la superficie se absorbe en la atmósfera y luego se vuelve a irradiar, y parte de esta nueva radiación vuelve a la superficie. Este proceso es bastante complicado porque necesita saber a qué longitudes de onda la atmósfera no es transparente, y luego resolver un montón de complicadas ecuaciones de transferencia radiativa, sin mencionar las nubes, la convección, el viento, etc.
Pero hay una respuesta física simple y obvia: el resultado final de este proceso alrededor del infrarrojo (lo que un científico del clima llamaría ‘onda larga’) en la atmósfera es que la superficie termina un poco más caliente de lo que cabría esperar si no hubiera atmósfera.
(Tenga en cuenta que he ignorado por completo el componente IR de la radiación entrante del Sol, lo que no debería hacer un modelo adecuado).
Entonces, está bien, ahora consideraremos dos ajustes a este modelo: paneles solares y quema de combustibles fósiles.
Paneles solares
Los paneles solares capturan parte de la luz visible / ultravioleta del sol y la convierten en infrarrojos (a través de máquinas en funcionamiento y, en última instancia, calefacción). No es completamente obvio si los paneles solares reducen o aumentan la proporción de luz solar entrante que se refleja directamente (tienen un albedo más alto o más bajo que la superficie que cubrieron, en otras palabras) pero supongamos que lo reducen, por lo que su resultado neto es más bajo. el albedo de la superficie y aumentar la cantidad de infrarrojos que se irradia. Esto luego aumenta ligeramente la temperatura de la superficie.
Combustibles fósiles
Estos no le hacen nada al albedo, (en realidad, lo hacen: lo bajan debido al hollín, pero también arrojan hollín a la atmósfera lo 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 energía previamente atrapada en los combustibles fósiles y capturada allí hace mucho tiempo desde el Sol);
- $ mathrm CO_2 $, en grandes cantidades.
Desafortunadamente $ mathrm CO_2 $ es uno de los componentes de la atmósfera que absorbe y vuelve a irradiar infrarrojos, por lo que esta emisión de $ mathrm CO_2 $ aumenta la temperatura de la superficie mediante el proceso descrito anteriormente.
¿Qué causa más calentamiento de la superficie?
Para saber cuál de estos causa más calentamiento, tiene que modelar el sistema con algún detalle razonable (y es solo porque estos modelos terminan siendo bastante complicados lo que permite a los negacionistas una entrada). Pero una forma de hacerlo es comparar la cantidad de energía que proviene del Sol (y que se irradia hacia atrás) y la energía que generan los humanos.
La constante solar, que es el flujo de energía del Sol que cruza la órbita de la Tierra, es 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 aproximadamente $ 1,7 veces 10 ^ 17 , mathrm W $. La generación de energía humana en 2013 fue de $ 1.8 times 10 ^ 13 , mathrm W $.
Esto significa que el flujo de energía del Sol es de aproximadamente $ 10 ^ 4 $ veces más grande que la generación de energía humana: incluso un cambio relativamente pequeño en cuánto de esto contribuye al calentamiento de la superficie eclipsará por completo cualquier calentamiento debido a la generación de energía humana. Otra forma de pensar sobre esto es que toda la generación de energía humana se trata de $ 0.04 , mathrm W / m ^ 2 $. los desequilibrios en el flujo solar debido a cambios en los gases de efecto invernadero son del orden de $ 1 , mathrm W / m ^ 2 $: mucho más.
El modelo simple de cuerpo negro
Otra forma de ver esto es considerar un modelo de cuerpo negro sin sentido: suponga que no hay atmósfera y que la Tierra es un cuerpo negro perfecto iluminado por el Sol: cuál sería su temperatura. Bueno, un pequeño pensamiento te muestra que se sentaría a una temperatura 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 esto resulta ser $ 278 , mathrm K $, o sobre $ 5 , mathrm C $. Esto es más frío de lo que realmente es en promedio, pero es una primera estimación decente.
Así que ahora, hagámoslo por 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 se trata de $ 28 , mathrm K $. Y recuerde que el flujo de energía va cuarto poder de temperatura$ sigma T ^ 4 $): la generación de energía humana no es En cualquier lugar cerca calentando el planeta significativamente. Puede ver esto fácilmente considerando la diferencia entre un planeta calentado completamente por el Sol y uno donde se agrega 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.
Cálculo simple del reverso del sobre:
Esta figura muestra nuestras mejores estimaciones del forzamiento radiativo de diferentes fenómenos antropogénicos (causados por el hombre):
Muestra que el forzamiento radiativo de los antropogénicos $ mathrm CO_2 $ es el componente más grande en aproximadamente $ 1.5 , mathrm W / m ^ 2 $.
La generación total de electricidad mundial es aproximadamente $ 25000 $ TWh / año. Esto es aproximadamente $ 2.9 , mathrm TW = 2.9 cdot 10 ^ 12 , mathrm W $ . La superficie total de la Tierra es aproximadamente $ 510 , mathrm millones , km ^ 2 $, cual es $ 510 , mathrm billón , m ^ 2 = 510 cdot 10 ^ 12 , mathrm m ^ 2 $. Entonces, si la relación entre el calor producido y la electricidad generada fuera $ 1 $ para toda la producción de electricidad, el forzamiento radiativo de esto sería ser:
$$ frac 2.9 cdot 10 ^ 12 , mathrm W 510 cdot 10 ^ 12 , mathrm m ^ 2 = frac 2.9 510 , mathrm W / m ^ 2 aproximadamente 0,0057 , mathrm W / m ^ 2 $$
Ahora, las eficiencias de los paneles fotovoltaicos comerciales actualmente no son mucho más altas que $ 20 % $, por lo que si queremos hacer un cálculo del peor de los casos para un escenario con solo paneles solares en la generación total de electricidad actual, es posible que deseemos usar una relación calor-electricidad de $ 5 $. Esto da $ sim 0.03 , mathrm W / m ^ 2 $. Este sigue siendo un factor de $ 50 $ más pequeño que el forzamiento radiativo de antropogénico $ mathrm CO_2 $ a los niveles actuales.
Conclusión:
Este fue solo un cálculo simple para mostrar que el calor de la generación de electricidad es una contribución insignificante al cambio climático global, incluso si cambiamos toda la generación de electricidad a energía 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 están colocadas también absorbió 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 hiciéramos eso, el forzamiento radiativo neto de cambiar toda la generación de electricidad a energía fotovoltaica sería aún más insignificante.
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