Energía solar fotovoltaica

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Célula solar monocristalina durante su fabricación.
Estación de servicio móvil en Francia que recarga la energía de los coches eléctricos mediante energía fotovoltaica.

La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía que produce electricidad de origen renovable,[1] obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o bien mediante una deposición de metales sobre un sustrato denominada célula solar de película fina.[2]

Este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aplicaciones y aparatos autónomos, para abastecer refugios o viviendas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.[3] [4] Entre los años 2001 y 2015 se ha producido un crecimiento exponencial de la producción de energía fotovoltaica, doblándose aproximadamente cada dos años.[5] La potencia total fotovoltaica instalada en el mundo (conectada a red) ascendía a 16 GW en 2008, 40 GW en 2010, 100 GW en 2012 y 140 GW en 2013.[6] [7] [8] [9] A finales de 2014, se habían instalado en todo el mundo cerca de 180 GW de potencia fotovoltaica.[10]

Gracias a ello la energía solar fotovoltaica se ha convertido en la tercera fuente de energía renovable más importante en términos de capacidad instalada a nivel global, después de las energías hidroeléctrica y eólica, y supone ya una fracción significativa del mix eléctrico en la Unión Europea, cubriendo de media el 3,5 % de la demanda de electricidad y alcanzando el 7 % en los períodos de mayor producción.[11] En algunos países, como Alemania,[12] [13] Italia[14] [15] [16] [nota 1] o España,[17] alcanza máximos superiores al 10 %, al igual que en algunos estados soleados de Estados Unidos, como California.[18] La producción anual de energía eléctrica generada mediante esta fuente de energía a nivel mundial equivalía en 2015 a cerca de 184 TWh, suficiente para abastecer las necesidades energéticas de millones de hogares y cubriendo aproximadamente un 1 % de la demanda mundial de electricidad.[11]

Gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales,[19] aumentando a su vez la eficiencia, y logrando que su coste medio de generación eléctrica sea ya competitivo con las fuentes de energía convencionales[20] en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.[21] [22] [23] Programas de incentivos económicos, primero, y posteriormente sistemas de autoconsumo fotovoltaico y balance neto sin subsidios, han apoyado la instalación de la fotovoltaica en un gran número de países, contribuyendo a evitar la emisión de una mayor cantidad de gases de efecto invernadero.[24] La tasa de retorno energético de esta tecnología, por su parte, es cada vez mayor. Con la tecnología actual, los paneles fotovoltaicos recuperan la energía necesaria para su fabricación en un período comprendido entre 6 meses y 1 año y medio; teniendo en cuenta que su vida útil media es superior a 30 años, producen electricidad limpia durante más del 95 % de su ciclo de vida. [25]

Historia[editar]

El físico francés Alexandre-Edmond Becquerel fue el descubridor del efecto fotovoltaico en 1839, fundamental para el desarrollo de las células fotoeléctricas.
Esquema del campo eléctrico creado en una célula fotovoltaica mediante la unión pn entre dos capas de semiconductores dopados.
Estructura básica de una célula solar basada en silicio, y su principio de funcionamiento.

El término "fotovoltaico" se comenzó a usar en Reino Unido en el año 1849.[26] Proviene del griego φώς: phos, que significa "luz", y de -voltaico, que proviene del ámbito de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta.[nota 2]

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez unos diez años antes, en 1839, por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel,[27] [28] pero la primera célula solar no se fabricó hasta 1883. Su creador fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con pan de oro para formar la unión. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia menor del 1 %, pero demostró de forma práctica que, efectivamente, producir electricidad con luz era posible.[29] Los estudios realizados en el siglo XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla y Heinrich Hertz sobre inducción electromagnética, fuerzas eléctricas y ondas electromagnéticas, y sobre todo los de Albert Einstein en 1905, proporcionaron la base teórica al efecto fotoeléctrico,[30] que es el fundamento de la conversión de energía solar a electricidad.

Principio de funcionamiento[editar]

En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón, creando a la vez un «hueco» en el átomo excitado. Normalmente, el electrón encuentra rápidamente otro hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, por tanto, se disipa en forma de calor. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila.

Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión pn, entre dos capas dopadas respectivamente, p y n. En las células de silicio, que son mayoritariamente utilizadas, se encuentran por tanto:

  • La capa superior de la celda, que se compone de silicio dopado de tipo n.[nota 3] En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que en una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje n, negativo. El material permanece eléctricamente neutro, ya que tanto los átomos de silicio como los del material dopante son neutros: pero la red cristalina tiene globalmente una mayor presencia de electrones que en una red de silicio puro.
  • La capa inferior de la celda, que se compone de silicio dopado de tipo p.[nota 4] Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro. Los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, es eléctricamente neutra pero presenta huecos, positivos (p). La conducción eléctrica está asegurada por estos portadores de carga, que se desplazan por todo el material.

En el momento de la creación de la unión pn, los electrones libres de la capa n entran instantáneamente en la capa p y se recombinan con los huecos en la región p. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región n a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en p a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) y existe un campo eléctrico entre las dos, de n hacia p. Este campo eléctrico hace de la ZCE un diodo, que solo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región p a la n, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de n hacia p.

En funcionamiento, cuando un fotón arranca un electrón a la matriz, creando un electrón libre y un hueco, bajo el efecto de este campo eléctrico cada uno va en dirección opuesta: los electrones se acumulan en la región n (para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la región dopada p (que se convierte en el polo positivo). Este fenómeno es más eficaz en la ZCE, donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercanía inmediata a la ZCE: cuando un fotón crea un par electrón-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creación tiene lugar en un sitio más alejado de la unión, el electrón (convertido en hueco) mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona n. Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, así que no es útil dar un gran espesor a la célula.[nota 5] Efectivamente, el grosor de la capa n es muy pequeño, ya que esta capa sólo se necesita básicamente para crear la ZCE que hace funcionar la célula. En cambio, el grosor de la capa p es mayor: depende de un compromiso entre la necesidad de minimizar las recombinaciones electrón-hueco, y por el contrario permitir la captación del mayor número de fotones posible, para lo que se requiere cierto mínimo espesor.

En resumen, una célula fotovoltaica es el equivalente de un generador de energía a la que se ha añadido un diodo. Para lograr una célula solar práctica, además es preciso añadir contactos eléctricos (que permitan extraer la energía generada), una capa que proteja la célula pero deje pasar la luz, una capa antireflectante para garantizar la correcta absorción de los fotones, y otros elementos que aumenten la eficiencia del misma.

Primera célula solar moderna[editar]

El ingeniero estadounidense Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946,[31] aunque otros investigadores habían avanzado en su desarrollado con anterioridad: el físico sueco Sven Ason Berglund había patentado en 1914 un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles, mientras que en 1931, el ingeniero alemán Bruno Lange había desarrollado una fotocélula usando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre.[32]

La era moderna de la tecnología solar no llegó hasta el año 1954, cuando los investigadores estadounidenses Gerald Pearson, Calvin S. Fuller y Daryl Chapin, de los Laboratorios Bell,[33] descubrieron de manera accidental que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas eran muy sensibles a la luz. Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera célula solar comercial. Emplearon una unión difusa de silicio p–n, con una conversión de la energía solar de aproximadamente 6 %, un logro comparado con las células de selenio que difícilmente alcanzaban el 0,5 %.[34] [35]

Posteriormente el estadounidense Les Hoffman, presidente de la compañía Hoffman Electronics, a través de su división de semiconductores fue uno de los pioneros en la fabricación y producción a gran escala de células solares. Entre 1954 y 1960, Hoffman logró mejorar la eficiencia de las células fotovoltaicas hasta el 14 %, reduciendo los costes de fabricación para conseguir un producto que pudiera ser comercializado.[36]

La Estación Espacial Internacional, que obtiene su energía a través de paneles fotovoltaicos, fotografiada contra la negrura del espacio y la delgada línea de la atmósfera de la Tierra.
Detalle de los paneles solares fotovoltaicos de la Estación Espacial Internacional.

Primeras aplicaciones: energía solar espacial[editar]

Al principio, las células fotovoltaicas se emplearon de forma minoritaria para alimentar eléctricamente juguetes y en otros usos menores, dado que el coste de producción de electricidad mediante estas células primitivas era demasiado elevado: en términos relativos, una célula que produjera un vatio de energía mediante luz solar podía costar 250 dólares, en comparación con los 2 o 3 dólares que costaba un vatio procedente de una central termoeléctrica de carbón.

Las células fotovoltaicas fueron rescatadas del olvido gracias a la carrera espacial y a la sugerencia de utilizarlas en uno de los primeros satélites puestos en órbita alrededor de la Tierra. La Unión Soviética lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y Estados Unidos le seguiría un año después. La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite norteamericano Vanguard 1, lanzado en marzo de 1958 (hoy en día el satélite más antiguo aún en órbita). En el diseño de éste se usaron células solares creadas por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics.[37] El sistema fotovoltaico le permitió seguir transmitiendo durante siete años mientras que las baterías químicas se agotaron en sólo 20 días.[38]

En 1959, Estados Unidos lanzó el Explorer 6. Este satélite llevaba instalada una serie de módulos solares, soportados en unas estructuras externas similares a unas alas, formados por 9600 células solares de la empresa Hoffman.[36] Este tipo de dispositivos se convirtió posteriormente en una característica común de muchos satélites. Había cierto escepticismo inicial sobre el funcionamiento del sistema, pero en la práctica las células solares demostraron ser un gran éxito, y pronto se incorporaron al diseño de nuevos satélites.

Pocos años después, en 1962, el Telstar se convirtió en el primer satélite de comunicaciones equipado con células solares, capaces de proporcionar una potencia de 14 W.[39] Este hito generó un gran interés en la producción y lanzamiento de satélites geoestacionarios para el desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles fotovoltaicos.[40] Gradualmente, la industria espacial se decantó por el uso de células solares de arseniuro de galio (GaAs), debido a su mayor eficiencia frente a las células de silicio. En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio y altamente eficiente se desarrolló en la Unión Soviética por Zhorés Alfiórov y su equipo de investigación.[41] [42]

A partir de 1971, las estaciones espaciales soviéticas del programa Salyut fueron los primeros complejos orbitales tripulados en obtener su energía a partir de células solares, acopladas en estructuras a los laterales del módulo orbital,[43] al igual que la estación norteamericana Skylab, pocos años después.[44]

En la década de 1970, tras la primera crisis del petróleo, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la agencia espacial NASA iniciaron el estudio del concepto de energía solar en el espacio, que ambicionaba el abastecimiento energético terrestre mediante satélites espaciales. En 1979 propusieron una flota de satélites en órbita geoestacionaria, cada uno de los cuales mediría 5 x 10 km y produciría entre 5 y 10 GW. La construcción implicaba la creación de una gran factoría espacial donde trabajarían continuamente cientos de astronautas. Este gigantismo era típico de una época en la que se proyectaba la creación de grandes ciudades espaciales. Dejando aparte las dificultades técnicas, la propuesta fue desechada en 1981 por implicar un coste disparatado.[45] A mediados de la década de 1980, con el petróleo de nuevo en precios bajos, el programa fue cancelado.[46]

No obstante, las aplicaciones fotovoltaicas en los satélites espaciales continuaron su desarrollo. La producción de equipos de deposición química de metales por vapores orgánicos o MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)[47] no se desarrolló hasta la década de 1980, limitando la capacidad de las compañías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio. La primera compañía que manufacturó paneles solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una eficiencia del 17% en AM0 (Air Mass Zero), fue la norteamericana Applied Solar Energy Corporation (ASEC). Las células de doble unión comenzaron su producción en cantidades industriales por ASEC en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs sobre los sustratos de GaAs, a GaAs sobre sustratos de germanio.

La tecnología fotovoltaica, si bien no es la única que se utiliza, sigue predominando a principios del siglo XXI en los satélites de órbita terrestre.[48] Por ejemplo, las sondas Magallanes, Mars Global Surveyor y Mars Observer, de la NASA, usaron paneles fotovoltaicos,[49] [50] [51] así como el Telescopio espacial Hubble,[52] en órbita alrededor de la Tierra. La Estación Espacial Internacional, también en órbita terrestre, está dotada de grandes sistemas fotovoltaicos que alimentan todo el complejo espacial,[53] [54] al igual que en su día la estación espacial Mir.[55] Otros vehículos espaciales que utilizan la energía fotovoltaica para abastecerse son la sonda Mars Reconnaissance Orbiter,[56] Spirit y Opportunity, los robots de la NASA en Marte.[57] [58]

La nave Rosetta, lanzada en 2004 en órbita hacia un cometa tan lejano del Sol como el planeta Júpiter (5,25 AU), dispone también de paneles solares;[59] anteriormente, el uso más lejano de la energía solar espacial había sido el de la sonda Stardust,[60] a 2 AU. La energía fotovoltaica se ha empleado también con éxito en la misión europea no tripulada a la Luna, SMART-1, proporcionando energía a su propulsor de efecto Hall.[61] La sonda espacial Juno será la primera misión a Júpiter en usar paneles fotovoltaicos en lugar de un generador termoeléctrico de radioisótopos, tradicionalmente usados en las misiones espaciales al exterior del Sistema Solar.[62] Actualmente se está estudiando el potencial de la fotovoltaica para equipar las naves espaciales que orbiten más allá de Júpiter.[63]

Primeras aplicaciones terrestres[editar]

Las aplicaciones aisladas de la red eléctrica supusieron uno de los primeros usos terrestres de la energía solar fotovoltaica, contribuyendo en gran medida a su desarrollo. En la imagen, faro de Noup Head en Reino Unido.

Desde su aparición en la industria aeroespacial, donde se ha convertido en el medio más fiable para suministrar energía eléctrica en los vehículos espaciales,[64] la energía solar fotovoltaica ha desarrollado un gran número de aplicaciones terrestres. La primera instalación comercial de este tipo se realizó en 1966, en el faro de la isla Ogami (Japón), permitiendo sustituir el uso de gas de antorcha por una fuente eléctrica renovable y autosuficiente. Se trató del primer faro del mundo alimentado mediante energía solar fotovoltaica, y fue crucial para demostrar la viabilidad y el potencial de esta fuente de energía.[65]

Las mejoras se produjeron de forma lenta durante las siguientes dos décadas, y el único uso generalizado se produjo en las aplicaciones espaciales, en las que su relación potencia a peso era mayor que la de cualquier otra tecnología competidora. Sin embargo, este éxito también fue la razón de su lento crecimiento: el mercado aeroespacial estaba dispuesto a pagar cualquier precio para obtener las mejores células posibles, por lo que no había ninguna razón para invertir en soluciones de menor costo si esto reducía la eficiencia. En su lugar, el precio de las células era determinado en gran medida por la industria de los semiconductores; su migración hacia la tecnología de circuitos integrados en la década de 1960 dio lugar a la disponibilidad de lingotes más grandes a precios relativamente inferiores. Al caer su precio, el precio de las células fotovoltaicas resultantes descendió en igual medida. Sin embargo, la reducción de costes asociada a esta creciente popularización de la energía fotovoltaica fue limitada, y en 1970 el coste de las células solares todavía se estimaba en 100 dólares por vatio ($/Wp).[66]

Reducción de precios[editar]

Uno de los pioneros del desarrollo de la tecnología fotovoltaica para uso terrestre, Elliot Berman, prueba diferentes módulos fotovoltaicos manufacturados por su compañía, Solar Power Corporation, a comienzos de los años 1970.

A finales de la década de 1960, el químico industrial estadounidense Elliot Berman estaba investigando un nuevo método para la producción de la materia prima de silicio a partir de un proceso en cinta. Sin embargo, encontró escaso interés en su proyecto y no pudo obtener la financiación necesaria para su desarrollo. Más tarde, en un encuentro casual, fue presentado a un equipo de la compañía petrolera Exxon que estaban buscando proyectos estratégicos a 30 años vista. El grupo había llegado a la conclusión de que la energía eléctrica sería mucho más costosa en el año 2000, y consideraba que este aumento de precio haría más atractivas a las nuevas fuentes de energía alternativas, siendo la energía solar la más interesante entre estas. En 1969, Berman se unió al laboratorio de Exxon en Linden, Nueva Jersey, denominado Solar Power Corporation (SPC).[66]

Su esfuerzo fue dirigido en primer lugar a analizar el mercado potencial para identificar los posibles usos que existían para este nuevo producto, y rápidamente descubrió que si el coste por vatio se redujera desde los 100 $/Wp a cerca de 20 $/Wp surgiría una importante demanda. Consciente de que el concepto del “silicio en cinta” podría tardar años en desarrollarse, el equipo comenzó a buscar maneras de reducir el precio a 20 $/Wp usando materiales existentes. La constatación de que las células existentes se basaban en el proceso estándar de fabricación de semiconductores supuso un primer avance, incluso aunque no se tratara de un material ideal. El proceso comenzaba con la formación de un lingote de silicio, que se cortaba transversalmente en discos llamados obleas. Posteriormente se realizaba el pulido de las obleas y, a continuación, para su uso como células, se dotaba de un recubrimiento con una capa anti reflectante. Berman se dio cuenta de que las obleas de corte basto ya tenían de por sí una superficie frontal anti reflectante perfectamente válida, y mediante la impresión de los electrodos directamente sobre esta superficie, se eliminaron dos pasos importantes en el proceso de fabricación de células.[66]

Su equipo también exploró otras formas de mejorar el montaje de las células en matrices, eliminando los costosos materiales y el cableado manual utilizado hasta entonces en aplicaciones espaciales. Su solución consistió en utilizar circuitos impresos en la parte posterior, plástico acrílico en la parte frontal, y pegamento de silicona entre ambos, embutiendo las células. Berman se dio cuenta de que el silicio ya existente en el mercado ya era “suficientemente bueno" para su uso en células solares. Las pequeñas imperfecciones que podían arruinar un lingote de silicio (o una oblea individual) para su uso en electrónica, tendrían poco efecto en aplicaciones solares. Las células fotovoltaicas podían fabricarse a partir del material desechado por el mercado de la electrónica, lo que traería como consecuencia una gran mejora de su precio.[66]

Poniendo en práctica todos estos cambios, la empresa comenzó a comprar a muy bajo coste silicio rechazado a fabricantes ya existentes. Mediante el uso de las obleas más grandes disponibles, lo que reducía la cantidad de cableado para un área de panel dado, y empaquetándolas en paneles con sus nuevos métodos, en 1973 SPC estaba produciendo paneles a 10 $/Wp y vendiéndolos a 20 $/Wp, disminuyendo el precio de los módulos fotovoltaicos a una quinta parte en sólo dos años.[66]

El mercado de la navegación marítima[editar]

Boya marítima operada por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) de Estados Unidos.

SPC comenzó a contactar con las compañías fabricantes de boyas de navegación ofreciéndoles el producto, pero se encontró con una situación curiosa. La principal empresa del sector era Automatic Power, un fabricante de baterías desechables. Al darse cuenta de que las células solares podían comerse parte del negocio y los beneficios que el sector de baterías le producía, Automatic Power compró un prototipo solar de Hoffman Electronics para terminar arrinconándolo. Al ver que no había interés por parte de Automatic Power, SPC se volvió entonces a Tideland Signal, otra compañía suministradora de baterías formada por ex-gerentes de Automatic Power.[66] Tideland presentó en el mercado una boya alimentada mediante energía fotovoltaica y pronto estaba arruinando el negocio de Automatic Power.

El momento no podía ser más adecuado, el rápido aumento en el número de plataformas petrolíferas en alta mar y demás instalaciones de carga produjo un enorme mercado entre las compañías petroleras. Como Tideland había tenido éxito, Automatic Power comenzó entonces a procurarse su propio suministro de paneles solares fotovoltaicos. Encontraron a Bill Yerkes, de Solar Power International (SPI) en California, que estaba buscando un mercado donde vender su producto. SPI pronto fue adquirida por uno de sus clientes más importantes, el gigante petrolero ARCO, formando ARCO Solar. La fábrica de ARCO Solar en Camarillo (California) fue la primera dedicada a la construcción de paneles solares, y estuvo en funcionamiento continuo desde su compra por ARCO en 1977 hasta 2011 cuando fue cerrada por la empresa SolarWorld.[66]

Esta situación se combinó con la crisis del petróleo de 1973. Las compañías petroleras disponían ahora de ingentes fondos debido a sus enormes ingresos durante la crisis, pero también eran muy conscientes de que su éxito futuro dependería de alguna otra fuente de energía. En los años siguientes, las grandes compañías petroleras comenzaron la creación de una serie de empresas de energía solar, y fueron durante décadas los mayores productores de paneles solares. Las compañías ARCO, Exxon, Shell, Amoco (más tarde adquirida por BP) y Mobil mantuvieron grandes divisiones solares durante las décadas de 1970 y 1980. Las empresas de tecnología también realizaron importantes inversiones, incluyendo General Electric, Motorola, IBM, Tyco y RCA.[67]

Perfeccionando la tecnología[editar]

Vehículo eléctrico propulsado mediante energía fotovoltaica, vencedor del South African Solar Challenge.

En las décadas transcurridas desde los avances de Berman, las mejoras han reducido los costes de producción por debajo de 1 $/Wp, con precios menores de 2 $/Wp para todo el sistema fotovoltaico. El precio del resto de elementos de una instalación fotovoltaica supone ahora un mayor coste que los propios paneles.[68]

A medida que la industria de los semiconductores se desarrolló hacia lingotes cada vez más grandes, los equipos más antiguos quedaron disponibles a precios reducidos. Las células crecieron en tamaño cuando estos equipos antiguos se hicieron disponibles en el mercado excedentario. Los primeros paneles de ARCO Solar se equipaban con células de 2 a 4 pulgadas (51 a 100 mm) de diámetro. Los paneles en la década de 1990 y principios de 2000 incorporaban generalmente células de 5 pulgadas (125 mm), y desde el año 2008 casi todos los nuevos paneles utilizan células de 6 pulgadas (150 mm).[69] También la introducción generalizada de los televisores de pantalla plana a finales de la década de 1990 y principios de 2000 llevó a una amplia disponibilidad de grandes láminas de vidrio de alta calidad, que se utilizan en la parte frontal de los paneles.[70]

En términos de las propias células, sólo ha habido un cambio importante. Durante la década de 1990, las células de polisilicio se hicieron cada vez más populares.[69] Estas células ofrecen menos eficiencia que aquellas de monosilicio, pero se cultivan en grandes cubas que reducen en gran medida el coste de producción.[69] A mediados de la década de 2000, el polisilicio dominaba en el mercado de paneles de bajo coste.[69]

Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica[editar]

Repetidor de telecomunicaciones alimentado mediante paneles solares. En lugares de difícil acceso, la energía fotovoltaica permite abastecer energía eléctrica de forma práctica y competitiva.
Parquímetro abastecido mediante energía solar fotovoltaica, en Edimburgo, Reino Unido.
Calculadora solar básica Sharp.
Refugio de montaña alimentado mediante energía fotovoltaica, en el Parque nacional de Aigüestortes y Lago de San Mauricio (Pirineos, España).

La producción industrial a gran escala de paneles fotovoltaicos despegó en la década de 1980, y entre sus múltiples usos se pueden destacar:

Telecomunicaciones y señalización[editar]

La energía solar fotovoltaica es ideal para aplicaciones de telecomunicaciones, entre las que se encuentran por ejemplo las centrales locales de telefonía, antenas de radio y televisión, estaciones repetidoras de microondas y otros tipos de enlaces de comunicación electrónicos. Esto es debido a que, en la mayoría de las aplicaciones de telecomunicaciones, se utilizan baterías de almacenamiento y la instalación eléctrica se realiza normalmente en corriente continua (DC). En terrenos accidentados y montañosos, las señales de radio y televisión pueden verse interferidas o reflejadas debido al terreno ondulado. En estos emplazamientos, se instalan transmisores de baja potencia (LPT) para recibir y retransmitir la señal entre la población local.[71]

Las células fotovoltaicas también se utilizan para alimentar sistemas de comunicaciones de emergencia, por ejemplo en los postes de SOS (Teléfonos de emergencia) en carreteras, señalización ferroviaria, balizamiento para protección aeronáutica, estaciones meteorológicas o sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.[66]

Dispositivos aislados[editar]

La reducción en el consumo energético de los circuitos integrados, hizo posible a finales de la década de 1970 el uso de células solares como fuente de electricidad en calculadoras, tales como la Royal Solar 1, Sharp EL-8026 o Teal Photon.[72]

También otros dispositivos fijos que utilizan la energía fotovoltaica han visto aumentar su uso en las últimas décadas, en lugares donde el coste de conexión a la red eléctrica o el uso de pilas desechables es prohibitivamente caro. Estas aplicaciones incluyen por ejemplo las lámparas solares, bombas de agua, parquímetros,[73] [74] teléfonos de emergencia, compactadores de basura,[75] señales de tráfico temporales o permanentes, estaciones de carga[76] [77] o sistemas remotos de vigilancia.

Electrificación rural[editar]

En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, las placas fotovoltaicas se emplean como alternativa económicamente viable desde hace décadas. Para comprender la importancia de esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta parte de la población mundial todavía no tiene acceso a la energía eléctrica.[78]

En los países en desarrollo, muchos pueblos se encuentran situados en áreas remotas, a varios kilómetros de la red eléctrica más próxima. Debido a ello, se está incorporando la energía fotovoltaica de forma creciente para proporcionar suministro eléctrico a viviendas o instalaciones médicas en áreas rurales. Por ejemplo, en lugares remotos de India un programa de iluminación rural ha provisto iluminación mediante lámparas LED alimentadas con energía solar para sustituir a las lámparas de queroseno. El precio de las lámparas solares era aproximadamente el mismo que el coste del suministro de queroseno durante unos pocos meses.[79] Cuba y otros países de Latinoamérica están trabajando para proporcionar energía fotovoltaica en zonas alejadas del suministro de energía eléctrica convencional.[80] Estas son áreas en las que los beneficios sociales y económicos para la población local ofrecen una excelente razón para instalar paneles fotovoltaicos, aunque normalmente este tipo de iniciativas se han visto relegadas a puntuales esfuerzos humanitarios.[81]

Sistemas de bombeo[editar]

Los sistemas de bombeo fotovoltaico pueden utilizarse para proporcionar agua en sistemas de riego, agua potable en comunidades aisladas o abrevaderos para el ganado.

También se emplea la fotovoltaica para alimentar instalaciones de bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el ganado,[82] [83] o para sistemas de desalinización de agua.[66]

Los sistemas de bombeo fotovoltaico (al igual que los alimentados mediante energía eólica) son muy útiles allí donde no es posible acceder a la red general de electricidad o bien supone un precio prohibitivo.[84] Su coste es generalmente más económico debido a sus menores costes de operación y mantenimiento, y presentan un menor impacto ambiental que los sistemas de bombeo alimentados mediante motores de combustión interna, que tienen además una menor fiabilidad.[85] [86]

Las bombas utilizadas pueden ser tanto de corriente alterna (AC) como corriente continua (DC). Normalmente se emplean motores de corriente continua para pequeñas y medianas aplicaciones de hasta 3 kW de potencia, mientras que para aplicaciones más grandes se utilizan motores de corriente alterna acoplados a un inversor que transforma para su uso la corriente continua procedente de los paneles fotovoltaicos. Esto permite dimensionar sistemas desde 0,15 kW hasta más de 55 kW de potencia, que pueden ser empleados para abastecer complejos sistemas de irrigación o almacenamiento de agua.[87] [88]

Sistemas híbridos solar-diésel[editar]

Debido al descenso de costes de la energía solar fotovoltaica, se está extendiendo asimismo el uso de sistemas híbridos solar-diésel, que combinan esta energía con generadores diésel para producir electricidad de forma continua y estable.[89] Este tipo de instalaciones están equipadas normalmente con equipos auxiliares, tales como baterías y sistemas especiales de control para lograr en todo momento la estabilidad del suministro eléctrico del sistema.[90]

Debido a su viabilidad económica (el transporte de diésel al punto de consumo suele ser costoso) en muchos casos se sustituyen antiguos generadores por fotovoltaica, mientras que las nuevas instalaciones híbridas se diseñan de tal manera que permiten utilizar el recurso solar siempre que está disponible, minimizando el uso de los generadores, disminuyendo así el impacto ambiental de la generación eléctrica en comunidades remotas y en instalaciones que no están conectadas a la red eléctrica. Un ejemplo de ello lo constituyen las empresas mineras,[89] [91] cuyas explotaciones se encuentran normalmente en campo abierto, alejadas de los grandes núcleos de población. En estos casos, el uso combinado de la fotovoltaica permite disminuir en gran medida la dependencia del combustible diésel, permitiendo ahorros de hasta el 70% en el coste de la energía.[92]

Este tipo de sistemas también puede utilizarse en combinación con otras fuentes de generación de energía renovable, tales como la energía eólica.[93]

Transporte y navegación marítima[editar]

Equipo del Nuna 3, vehículo solar competidor en el World Solar Challenge.

Aunque la fotovoltaica todavía no se utiliza de forma generalizada para proporcionar tracción en el transporte, se está utilizando cada vez en mayor medida para proporcionar energía auxiliar en barcos y automóviles. Algunos vehículos están equipados con aire acondicionado alimentado mediante paneles fotovoltaicos para limitar la temperatura interior en los días calurosos,[94] mientras que otros prototipos híbridos los utilizan para recargar sus baterías sin necesidad de conectarse a la red eléctrica.[95] [96] Se ha demostrado sobradamente la posibilidad práctica de diseñar y fabricar vehículos propulsados mediante energía solar, así como barcos[97] [98] y aviones,[99] siendo considerado el transporte rodado el más viable para la fotovoltaica.[100]

El Solar Impulse es un proyecto dedicado al desarrollo de un avión propulsado únicamente mediante energía solar fotovoltaica. El prototipo puede volar durante el día propulsado por las células solares que cubren sus alas, a la vez que carga las baterías que le permiten mantenerse en el aire durante la noche.[101] [102]

La energía solar también se utiliza de forma habitual en faros, boyas y balizas de navegación marítima, vehículos de recreo, sistemas de carga para los acumuladores eléctricos de los barcos, y sistemas de protección catódica.[66] La recarga de vehículos eléctricos está cobrando cada vez mayor importancia.[100]

Fotovoltaica integrada en edificios[editar]

Marquesina solar situada en el aparcamiento de la Universidad Autónoma de Madrid (Madrid, España).
Proyecto BIPV ISSOL en la estación de ferrocarril Gare TGV de Perpignan, Francia.

Muchas instalaciones fotovoltaicas se encuentran a menudo situadas en los edificios: normalmente se sitúan sobre un tejado ya existente, o bien se integran en elementos de la propia estructura del edificio, como tragaluces, claraboyas o fachadas.[103]

Alternativamente, un sistema fotovoltaico también puede ser emplazado físicamente separado del edificio, pero conectado a la instalación eléctrica del mismo para suministrar energía. En 2010, más del 80% de los 9000 MW de fotovoltaica que Alemania tenía en funcionamiento por entonces, se habían instalado sobre tejados.[104]

La fotovoltaica integrada en edificios (BIPV, en sus siglas en inglés) se está incorporando de forma cada vez más creciente como fuente de energía eléctrica principal o secundaria en los nuevos edificios domésticos e industriales,[105] e incluso en otros elementos arquitectónicos, como por ejemplo puentes.[106] Las tejas con células fotovoltaicas integradas son también bastante comunes en este tipo de integración.

Según un estudio publicado en 2011, el uso de imágenes térmicas ha demostrado que los paneles solares, siempre que exista una brecha abierta por la que el aire pueda circular entre los paneles y el techo, proporcionan un efecto de refrigeración pasiva en los edificios durante el día y además ayudan a mantener el calor acumulado durante la noche.[107]

Fotovoltaica de conexión a red[editar]

Una de las principales aplicaciones de la energía solar fotovoltaica más desarrollada en los últimos años, consiste en las centrales conectadas a red para suministro eléctrico,[108] así como los sistemas de autoconsumo fotovoltaico, de potencia generalmente menor, pero igualmente conectados a la red eléctrica.

Componentes de una planta solar fotovoltaica[editar]

Una planta solar fotovoltaica cuenta con distintos elementos que permiten su funcionamiento, como son los paneles fotovoltaicos para la captación de la radiación solar, y los inversores para la transformación de la corriente continua en corriente alterna.[109] Existen otros, los más importantes se mencionan a continuación:

Paneles solares fotovoltaicos[editar]

Generalmente, un módulo o panel fotovoltaico consiste en una asociación de células, encapsulada en dos capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre una lámina frontal de vidrio y una capa posterior de un polímero termoplástico (frecuentemente se emplea el tedlar) u otra lámina de cristal cuando se desea obtener módulos con algún grado de transparencia.[110] Muy frecuentemente este conjunto es enmarcado en una estructura de aluminio anodizado con el objetivo de aumentar la resistencia mecánica del conjunto y facilitar el anclaje del módulo a las estructuras de soporte.[110]

Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de silicio, y se puede dividir en tres subcategorías:

  • Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristal de silicio, normalmente manufacturado mediante el proceso Czochralski.[111] Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.
  • Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células monocristalinas.[69] Se caracterizan por un color azul más intenso.
  • Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también menos costosas. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras.[112]

Inversores[editar]

Un inversor solar instalado en una planta de conexión a red en Speyer, Alemania.

La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparato electrónico llamado inversor[109] e inyectar en la red eléctrica (para venta de energía) o bien en la red interior (para autoconsumo).

El proceso, simplificado, sería el siguiente:

  • Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente continua.
  • Se transforma con un inversor en corriente alterna.
  • En plantas de potencia inferior a 100 kW se inyecta la energía directamente a la red de distribución en baja tensión (400 V en trifásico o 230 V en monofásico).
  • Y para potencias superiores a los 100 kW se utiliza un transformador para elevar la energía a media tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las redes de transporte para su posterior suministro.

Seguidores solares[editar]

Planta solar situada en la Base de la Fuerza Aérea Nellis (Nevada, Estados Unidos). Estos paneles siguen el recorrido del Sol sobre un eje.

El uso de seguidores a uno o dos ejes permite aumentar considerablemente la producción solar, en torno al 30% para los primeros y un 6% adicional para los segundos, en lugares de elevada radiación directa.[113] [114]

Los seguidores solares son bastante comunes en aplicaciones fotovoltaicas.[115] Existen de varios tipos:

  • En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al Sol.
  • En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.
  • En un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol.
  • En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

Cableado[editar]

Conectores de un panel solar, utilizados para transportar la corriente continua generada por el mismo hasta el inversor, donde se transforma generalmente en corriente alterna para su posterior utilización.

Es el elemento que transporta la energía eléctrica desde su generación, para su posterior distribución y transporte. Su dimensionamiento viene determinado por el criterio más restrictivo entre la máxima caída de tensión admisible y la intensidad máxima admisible. Aumentar las secciones de conductor que se obtienen como resultado de los cálculos teóricos aporta ventajas añadidas como:

  • Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables.
  • Posibilidad de aumento de potencia de la planta sin cambiar el conductor.
  • Mejor respuesta a posibles cortocircuitos.
  • Mejora del performance ratio (PR) de la instalación.

Plantas de concentración fotovoltaica[editar]

Seguidor solar dotado con paneles de concentración fotovoltaica, capaz de producir 53 kW. A su lado se encuentra el vehículo eléctrico Tesla Roadster, permitiendo apreciar su escala.

Otro tipo de tecnología en las plantas fotovoltaicas son las que utilizan una tecnología de concentración llamada CPV por sus siglas en inglés (Concentrated Photovoltaics)[116] para maximizar la energía solar recibida por la instalación, al igual que en una central térmica solar. Las instalaciones de concentración fotovoltaica se sitúan en emplazamientos de alta irradiación solar directa, como son los países a ambas riberas del Mediterráneo, Australia, Estados Unidos, China, Sudáfrica, México, etc. Hasta el año 2006 estas tecnologías formaban parte del ámbito de investigación, pero en los últimos años se han puesto en marcha instalaciones de mayor tamaño como la de ISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentración) en Puertollano (Castilla La Mancha) con 3 MW suministrando electricidad a la red eléctrica.[117] [118] [119]

La idea básica de la concentración fotovoltaica es la sustitución de material semiconductor por material reflectante o refractante (más barato). El grado de concentración puede alcanzar un factor de 1000,[116] de tal modo que, dada la pequeña superficie de célula solar empleada, se puede utilizar la tecnología más eficiente (triple unión, por ejemplo). Por otro lado, el sistema óptico introduce un factor de pérdidas que hace recuperar menos radiación que la fotovoltaica plana. Esto, unido a la elevada precisión de los sistemas de seguimiento, constituye la principal barrera a resolver por la tecnología de concentración.

Recientemente se ha anunciado el desarrollo de plantas de grandes dimensiones (por encima de 1 MW).[120] Las plantas de concentración fotovoltaica utilizan un seguidor de doble eje para posibilitar un máximo aprovechamiento del recurso solar durante todo el día.

El desarrollo de la energía solar fotovoltaica en el mundo[editar]

Mapamundi de radiación solar. Los pequeños puntos en el mapa muestran el área total de fotovoltaica necesaria para cubrir la demanda mundial de energía usando paneles solares con una eficiencia del 8%.
Potencia fotovoltaica mundial instalada hasta 2013, en megavatios (MW), expresada por región.[121]
     Europa      Asia-Pacífico      América del norte y sur      China      África y Oriente Medio      Resto del mundo

Históricamente, los Estados Unidos lideraron la instalación de energía fotovoltaica desde sus inicios hasta 1997, cuando fueron alcanzados por Japón, que mantuvo el liderato hasta que Alemania la sobrepasó en 2005, manteniendo esa posición desde entonces. A comienzos de 2014 Alemania es, junto a Italia, Japón, China y Estados Unidos, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso.

Alemania[editar]

Alemania es uno de los líderes mundiales en la instalación de energía fotovoltaica, con una potencia instalada a principios de 2015 superior a los 38 gigavatios (GW). Sólo en 2011, Alemania instaló cerca de 7,5 GW,[122] y la fotovoltaica produjo 18 TW·h de electricidad, el 3% del total consumido en el país.[123] [13]

El mercado fotovoltaico en Alemania ha crecido considerablemente desde principios del siglo XXI gracias a la creación de una tarifa regulada para la producción de energía renovable, que fue introducida por la "German Renewable Energy Act", ley publicada el año 2000. Desde entonces, el coste de las instalaciones fotovoltaicas ha descendido más del 50% en cinco años, desde 2006.[124] Alemania se ha marcado el objetivo de producir el 35% de la electricidad mediante energías renovables en 2020 y alcanzar el 100% en 2050.[125]

En 2012, las tarifas introducidas costaban a Alemania unos 14 000 millones de euros por año, tanto para las instalaciones eólicas como solares. Este coste es repartido entre todos los contribuyentes mediante un sobrecoste de 3,6 céntimos de € por kWh[126] (aproximadamente el 15% del coste total de la electricidad para el consumidor doméstico).[127]

La considerable potencia instalada en Alemania ha protagonizado varios récords durante los últimos años. Durante dos días consecutivos de mayo de 2012, por ejemplo, las plantas solares fotovoltaicas instaladas en el país produjeron 22 000 MWh en la hora del mediodía, lo que equivale a la potencia de generación de veinte centrales nucleares trabajando a plena capacidad.[128] [nota 6] Alemania pulverizó este récord el 21 de julio de 2013, con una potencia instantánea de 24 GW a mediodía.[129] [130] Debido al carácter altamente distribuido de la fotovoltaica alemana, aproximadamente 1,3–1,4 millones de pequeños sistemas fotovoltaicos contribuyeron a esta nueva marca. Aproximadamente el 90% de los paneles solares instalados en Alemania se encuentran situados sobre tejado.[131]

En junio de 2014, la fotovoltaica alemana volvió a batir récords durante varios días, al producir hasta el 50,6% de toda la demanda eléctrica durante un solo día, y superar el anterior récord de potencia instantánea hasta los 24,24 GW.[132] [133] [134]

A comienzos de verano de 2011, el Gobierno alemán anunció que el esquema actual de tarifas reguladas concluiría cuando la potencia instalada alcanzase los 52 GW. Cuando esto suceda, Alemania aplicará un nuevo esquema de tarifas de inyección cuyos detalles no se conocen todavía.[135]

No obstante, consciente de que el almacenamiento de energía mediante baterías es indispensable para el despliegue masivo de renovables como la energía eólica o la fotovoltaica, dada su intermitencia, el 1 de mayo de 2013 Alemania puso en marcha un nuevo programa de ayudas para incentivar sistemas fotovoltaicos con baterías de almacenamiento.[136] De esta manera, se financia a las instalaciones fotovoltaicas menores de 30 kW que instalen baterías y acumulen electricidad, con 660 euros por cada kW de almacenamiento de batería. El programa está dotado con 25 millones de euros anuales repartidos en 2013 y 2014, y de esta forma se logra disponer de la energía cuando el recurso no esté disponible –no haya viento o sea de noche–,[136] además de facilitar la estabilidad del sistema eléctrico.[137]

China[editar]

Capacidad fotovoltaica total instalada en China entre 2000 y 2013.
Cuota de mercado de los principales países productores de células fotovoltaicas entre 1995 y 2013.

La energía fotovoltaica se ha convertido en una de las mayores industrias de la República Popular China. El país asiático cuenta con unas 400 empresas fotovoltaicas, entre las que destacan Suntech y Yingli. En 2014 producía apoximadamente la mitad de los productos fotovoltaicos que se fabrican en el mundo (China y Taiwan juntos suman más del 60% de cuota). La producción de paneles y células fotovoltaicas en China se ha incrementado notablemente durante la última década: en 2001 mantenía una cuota inferior al 1% del mercado mundial, mientras que por las mismas fechas, Japón y Estados Unidos sumaban más del 70% de la producción mundial. Sin embargo, la tendencia se ha invertido y en la actualidad China supera ampliamente al resto de productores.

La capacidad de producción de paneles solares chinos prácticamente se cuadruplicó entre los años 2009 y 2011, superando incluso la demanda mundial. Como resultado, la Unión Europea acusó a la industria china de estar realizando dumping, es decir vendiendo sus paneles a precios por debajo de coste, imponiendo aranceles a la importación de este material.[138] [139]

También la instalación de energía fotovoltaica se ha desarrollado espectacularmente en el país asiático en años recientes, superando incluso las previsiones iniciales. En 2011, la Asamblea Popular Nacional de China estableció en 5 GW el objetivo mínimo oficial para 2015, fijando el objetivo a largo plazo en 20–30 GW para 2020.[140] A finales de 2011 China dobló su potencia fotovoltaica instalada respecto al año anterior, hasta alcanzar los 3 GW. Asimismo, la tarifa de inyección bajó hasta 0,80 yuanes por kWh, lo que significó llegar al mismo nivel de las tarifas aplicables a las plantas de carbón.[141]

Batiendo todas las previsiones, China añadió 5 GW de energía fotovoltaica en 2012, llevando la potencia total instalada en el país hasta un total de más de 8 GW,[142] [143] teniendo previsto superar la barrera de los 10 GW en 2013.[144] Pulverizando de nuevo todas las estimaciones,[145] [146] a finales de 2014 se hizo público que China contaba ya con cerca de 28 GW de potencia fotovoltaica, tras instalar 20 GW a lo largo de 2013 y 2014[147] [148] [11] En el primer trimestre de 2015, China instaló 5 GW fotovoltaicos, acumulando en sólo 3 meses la misma potencia fotovoltaica instalada por países como Francia o España en toda su historia.[149] [150]

Debido a tan rápido crecimiento, las autoridades chinas se han visto obligadas a revaluar en varias ocasiones su objetivo de potencia fotovoltaica. La potencia total instalada en China puede crecer hasta los 70 GW en 2017, de acuerdo a los últimos planes de la comisión reguladora del país.[151] Para 2020, China espera contar con una potencia fotovoltaica de 100 GW.[152] [153]

Este crecimiento refleja el abrupto descenso de costes de la energía fotovoltaica, que actualmente comienza a ser una opción más barata que otras fuentes de energía, tanto a precios minoristas como comerciales. Fuentes del gobierno chino han afirmado que la fotovoltaica presentará precios más competitivos que el carbón y el gas (aportando además una mayor independencia energética) a finales de esta década.[153]

Japón[editar]

La energía fotovoltaica en Japón, se ha expandido rápidamente desde la década de 1990. El país es uno de los líderes en la fabricación de módulos fotovoltaicos y se encuentra entre los primeros puestos en términos de potencia instalada, con más de 23 GW a finales de 2014, la mayor parte conectada a red.[154] [155] [156] La irradiación en Japón es óptima, situándose entre 4,3 y 4,8 kWh·m²·día, convirtiéndolo en un país idóneo para el desarrollo de este tipo de energía.

La venta de módulos fotovoltaicos para proyectos comerciales ha crecido rápidamente tras la introducción por parte del Gobierno japonés en julio de 2012 de una tarifa para el incentivo de la fotovoltaica tras el accidente nuclear de Fukushima y la paralización de la mayoría de las centrales nucleares que tiene el país.

Sólo durante el primer semestre de 2012, se vendieron módulos por un equivalente de 1072 MW, según se desprende de los datos de la Asociación Japonesa de Energía Fotovoltaica (Japan Photovoltaic Energy Association, JPA).[157] La mayoría de ese volumen (738 MW), procede de fabricantes locales, entre los que destacan Kyocera, Sharp Corporation, Mitsubishi o Sanyo, mientras que 335 MW fueron importados. Tradicionalmente, el mercado fotovoltaico ha estado muy desplazado al segmento residencial, copando hasta el 97% de la capacidad instalada en todo el país hasta 2012.[158] Aunque esta tendencia se está invirtiendo, todavía más del 75% de las células y módulos vendidos en Japón a principios de 2012 tuvieron como destino proyectos residenciales, mientras que cerca del 9% se emplearon en instalaciones fotovoltaicas comerciales.[159]

En 2014, potencia fotovoltaica instalada alcanzó en Japón su record histórico con 10 GW, comparados con los 7 GW instalados en 2013. A finales de 2014, la potencia total fotovoltaica instalada en el país se situaba en torno a los 23 GW, que contribuían aproximadamente en un 2,5% a la demanda eléctrica del país.[11] La previsión apunta a que el mercado fotovoltaico japonés crecerá aun más en los próximos años, añadiendo sólo en 2015 otros 10,4 GW más.[160]

Estados Unidos[editar]

Estados Unidos es desde 2010 uno de los países con mayor actividad en el mercado fotovoltaico, cuenta con grandes empresas del sector, como First Solar o SolarCity, así como numerosas plantas de conexión a red. A principios de 2015, Estados Unidos superó los 20 GW de potencia fotovoltaica instalada, tras instalar 8 GW sólo en 2014.[161]

Aunque Estados Unidos no mantiene una política energética nacional uniforme en todo el país en lo referente a fotovoltaica, muchos estados han fijado individualmente objetivos en materia de energías renovables, incluyendo en esta planificación a la energía solar en diferentes proporciones. En este sentido, el gobernador de California Jerry Brown ha firmado una legislación requiriendo que el 33% de la electricidad del estado se genere mediante energías renovables a finales de 2020.[162]

Un informe privado[163] recoge que la energía solar fotovoltaica se ha expandido rápidamente durante los últimos 8 años, creciendo a una media del 40% cada año. Gracias a esta tendencia, el coste del kWh producido mediante energía fotovoltaica se ha visto enormemente reducido, mientras que el coste de la electricidad generada mediante combustibles fósiles no ha dejado de incrementar. Como resultado, el informe concluye que la fotovoltaica alcanzará la paridad de red frente a las fuentes de energía convencionales en muchas regiones de Estados Unidos en 2015. Pero para alcanzar una cuota en el mercado energético del 10%, prosigue el informe, las compañías fotovoltaicas necesitarán estilizar aun más las instalaciones, de forma que la energía solar se convierta en una tecnología directamente enchufable ("plug-and-play"). Es decir, que sea sencillo adquirir los componentes de cada sistema y su interconexión sea simple, al igual que su conexión a la red.[163]

Actualmente la mayoría de las instalaciones son conectadas a red y utilizan sistemas de balance neto que permiten el consumo de electricidad nocturno de energía generada durante el día. Nueva Jersey lidera los Estados con la ley de balance neto menos restrictiva,[164] mientras California lidera el número total de hogares con energía solar. Muchos de ellos fueron instalados durante la iniciativa million solar roof (un millón de tejados solares).[165]

La tendencia y el ritmo de crecimiento actuales indican que en los próximos años se construirán un gran número de plantas fotovoltaicas en el sur y suroeste del país, donde el terreno disponible es abundante, en los soleados desiertos de California, Nevada y Arizona. Las empresas están adquiriendo cada vez en mayor medida grandes superficies en estas zonas, con la intención de construir mayores plantas a gran escala.[166]

Italia[editar]

Italia se encuentra entre los primeros países productores de electricidad procedente de energía fotovoltaica. En diciembre de 2012, la potencia total instalada se acercaba a los 17 GW, suponiendo una producción tan importante que varias centrales de gas operaban a mitad de su potencial durante el día. El sector ha llegado a proporcionar trabajo a unas 100 000 personas, especialmente en el sector del diseño e instalación de dichas plantas solares.[167]

La energía total producida mediante fotovoltaica alcanzó en 2011 los 10 730 GWh,[168] cerca de un 3,2% del total de la demanda de electricidad (332,3 TWh).[169] Mientras que durante 2012, la producción fotovoltaica proporcionó el 5,6% del total de la energía consumida en el país durante el año.[14] El crecimiento ha sido exponencial: la potencia instalada se triplicó en 2010 y se cuadruplicó en 2011.

La fotovoltaica en Italia ha alcanzado estas cifras gracias al programa de incentivos llamado Conto Energia.[170] Este programa contaba con un presupuesto total de 6700 millones de €, alcanzado dicho límite el Gobierno ha dejado de incentivar las nuevas instalaciones, al haberse alcanzado la paridad de red. Un informe publicado en 2013 por el Deutsche Bank concluía que efectivamente la paridad de red se había alcanzado en Italia y otros países del mundo.[171]

Desde el pasado agosto de 2012 está vigente una nueva legislación que obliga a registrar todas las plantas superiores a 12 kW; las de potencia menor (fotovoltaica de tejado en residencias) están exentas de registro.[172]

Otros mercados[editar]

Fachada fotovoltaica en el edificio MNACTEC (Tarrasa, España).

España[editar]

España es uno de los países de Europa con mayor irradiación anual.[48] Esto hace que la energía solar sea en este país más rentable que en otros. Regiones como el norte de España, que generalmente se consideran poco adecuadas para la energía fotovoltaica, reciben más irradiación anual que la media en Alemania, país que mantiene desde hace años el liderazgo en la promoción de la energía solar fotovoltaica.[48]

Desde principios de la década de 2000, en concordancia con las medidas de apoyo a las energías renovables que se estaban llevando a cabo en el resto de Europa, se aprobaron leyes que establecieron las condiciones técnicas y administrativas, y que supusieron el inicio de un lento despegue de la fotovoltaica en España. En 2004, el gobierno español eliminó las barreras económicas para la conexión de las energías renovables a la red eléctrica. El Real Decreto 436/2004 igualó las condiciones para su producción a gran escala, y garantizó su venta mediante primas a la generación.[173]

Gracias a esta regulación, y el posterior RD 661/2007,[174] España fue en el año 2008 uno de los países con más potencia fotovoltaica instalada del mundo, con 2708 MW instalados en un sólo año. Sin embargo, posteriores modificaciones en la legislación del sector[175] ralentizaron la construcción de nuevas plantas fotovoltaicas, de tal forma que en 2009 se instalaron tan sólo 19 MW, en 2010, 420 MW, y en 2011 se instalaron 354 MW, correspondiendo al 2% del total de la Unión Europea.[12] A principios de 2012, el Gobierno español aprobó un Real Decreto Ley por el que se paralizó la instalación de nuevas centrales fotovoltaicas y demás energías renovables.[176] A finales de 2014 la potencia fotovoltaica instalada en España ascendía a 4672 MW.[177]

En términos de producción energética, en 2010 la energía fotovoltaica cubrió en España aproximadamente el 2% de la generación de electricidad, mientras que en 2011 y 2012 representó el 2,9%, y en 2013 el 3,1% de la generación eléctrica según datos del operador, Red Eléctrica.[178] [179] [180]

Latinoamérica[editar]

En Latinoamérica, la fotovoltaica ha comenzado a despegar en los últimos años. Se ha propuesto la construcción de un buen número de plantas solares en diversos países, a lo largo de toda la región, con proyectos incluso por encima de 100 MW en Chile.[181]

México tiene un enorme potencial en lo que respecta a energía solar.[182] [183] Un 70% de su territorio presenta una irradiación superior a 4,5 kWh/m²/día, lo que lo convierte en un país muy soleado, e implica que utilizando la tecnología fotovoltaica actual, una planta solar de 25 km² en cualquier lugar del estado de Chihuahua o el desierto de Sonora (que ocuparía el 0,01% de la superficie de México) podría proporcionar toda la electricidad demandada por el país.[184]

México de hecho ya lidera la producción solar en Latinoamérica. Una planta fotovoltaica de 46,8 MW se encuentra en construcción en Puerto Libertad (Sonora).[185] La planta, originalmente diseñada para albergar 39 MW, se amplió para permitir la generación de 106 728 000 kWh/año.[186] Otro proyecto de 30 MW se encuentra en construcción en La Paz (Baja California Sur). Una vez completado, proporcionará electricidad a unas 160 000 viviendas.[184]

Se espera que México experimente un mayor crecimiento en los próximos años, con el fin de alcanzar el objetivo de cubrir el 35% de su demanda energética a partir de energías renovables en 2024, según una ley aprobada por el gobierno mexicano en 2012.[187] [188] A comienzos de 2014, México tenía previstos proyectos fotovoltaicos por una potencia de 300 MW, de los cuales aproximadamente 100 MW comenzaron a desarrollarse durante el último trimestre de 2013.[189]

Otros países sudamericanos han comenzado a instalar plantas fotovoltaicas a gran escala, entre ellos Chile y Perú.[190] Chile inauguró en junio de 2014 una central fotovoltaica de 100 MW, que se convirtió en la mayor realizada hasta la fecha en Latinoamérica.[191] El elevado precio de la electricidad y los altos niveles de radiación que existen en el norte de Chile, han promovido la apertura de un importante mercado libre de subsidios.[192] Brasil en cambio está experimentando un crecimiento más lento del sector, en parte debido a la elevada generación mediante energía hidráulica en el país,[193] aunque el estado de Minas Gerais lidera el esfuerzo, tras la aprobación por parte del gobierno brasileño de una fábrica de células y paneles fotovoltaicos en dicha región.[194] [193]

Canadá[editar]

La planta solar fotovoltaica Sarnia, cercana a Ontario, era a finales de 2010 la más grande del mundo, con una capacidad instalada de 80 MW,[195] hasta que fue superada por otras en China, India y Estados Unidos. Esta planta cubre aproximadamente 96 hectáreas, y contiene cerca de 1,3 millones de módulos de capa fina. Su generación anual de energía se estima en 120 000 MW·h, que si fueran producidos por una planta de carbón convencional implicarían la emisión a la atmósfera de 39 000 toneladas de CO2 cada año.

Muchas regiones de Canadá se encuentran escasamente pobladas y son difíciles de acceder, pero no gozan de un acceso óptimo a la radiación solar debido a las elevadas latitudes en la mayor parte del país. La tecnología fotovoltaica se usa cada vez con mayor frecuencia en aplicaciones aisladas, generalmente para alimentar viviendas en lugares remotos, equipos de telecomunicaciones, estaciones de control de oleoductos y aparatos de navegación. El mercado canadiense ha crecido rápido en los últimos años, y existen numerosas compañías que fabrican paneles solares, equipos, sistema de bombeo solar y sistemas de iluminación fotovoltaica.[196]

Uno de los usos más importantes de la energía solar fotovoltaica se encuentra en las regiones más septentrionales del país, cuyos asentamientos dependen en gran medida de instalaciones diésel para generar electricidad. Desde mediados de la década de 1970, el gobierno federal y la industria ha apoyado el desarrollo de tecnologías fotovoltaicas para dichas comunidades. Algunos de estos esfuerzos se han centrado en el uso de sistemas híbridos que proporcionan energía 24 horas al día, utilizando la energía fotovoltaica cuando la radiación solar lo permite, en combinación con otras formas de generación de energía.[196]

Grecia[editar]

A finales de septiembre de 2013, la capacidad fotovoltaica total instalada en Grecia había alcanzado 2523 MW, de los que 987 MW se habían instalado durante el período comprendido entre enero y septiembre de 2013, a pesar de la grave crisis financiera que sufre el país.[197] Se espera que la energía producida mediante fotovoltaica cubra el 7% del consumo griego de electricidad en 2014.[198]

India[editar]

Objetivos del programa solar establecido por el gobierno en la India, hasta 2022.

India está densamente poblada y tiene también una gran irradiación solar, lo que hace del país uno de los mejores candidatos para el desarrollo de la fotovoltaica. De momento se han propuesto algunos proyectos a gran escala, y un área de 35 000 km2 en el desierto de Thar se ha reservado para proyectos solares, suficientes para generar entre 700 GW y 2100 GW.

En julio de 2009, India desveló un programa de 19 000 millones de dólares para producir 20 GW de energía solar para 2020.[199] Bajo este plan, el uso de instalaciones solares y sus aplicaciones sería obligatorio en todos los edificios gubernamentales, al igual que en hospitales y hoteles.[200]

De acuerdo a un informe de 2011, India se encuentra ante un conjunto de factores coadyuvantes que permitirá la adopción de la fotovoltaica a un "ritmo frenético durante los próximos 5 años y posteriormente". La caída en el precio de los paneles fotovoltaicos, principalmente de China pero también de Estados Unidos, ha coincidido con un incremento del precio de la electricidad en la India. El apoyo del gobierno y la abundancia del recurso solar han ayudado a impulsar la adopción de la tecnología solar, pero seguramente se haya necesitado también otro factor importante. India, "como economía en vías de desarrollo con una emergente clase media, se enfrenta ahora a una escasez de energía eléctrica que en ocasiones llega a suponer entre el 10 y el 13% de las necesidades diarias".[201]

El parque solar Charanka, de 214 MW (uno de los mayores del mundo) fue puesto en servicio en abril de 2012, junto a un total de 605 MW en la región de Gujarat, representando dos tercios de toda la potencia fotovoltaica instalada en el país.[202] La construcción de otros grandes parques solares ha sido anunciada en el estado de Rajasthan.[203] También el parque solar de Dhirubhai Ambani, de 40 MW, fue inaugurado en 2012.[204]

Oceanía[editar]

Tokelau, un archipiélago ubicado en el océano Pacífico, se convirtió en 2013 en el primer país del mundo en obtener toda la electricidad que necesita del Sol.[205] El país lo forman unos 125 islotes que abarcan un área de 10 km2 y cuenta con cerca de 1500 habitantes.[206] La situación geográfica del archipiélago hace que el uso de combustibles fósiles sea comparativamente mucho más caro y difícil de mantener que un sistema fotovoltaico.

La instalación de Tokelau es un ejemplo del que ya han tomado nota otros países de Oceanía. De hecho, las vecinas Islas Cook y el archipiélago de Tuvalu también pretenden abastecerse completamente a partir de energías renovables para el año 2020.[205]

Evolución temporal[editar]

En la siguiente tabla se muestra el detalle de la potencia mundial instalada, desglosada por cada país, desde el año 2000 hasta 2014:

Potencia total instalada (MWp) por país[12] [207] [208] [209] [210] [211] [212] [213]
País Total
2000
Total
2001
Total
2002
Total
2003
Total
2004
Total
2005
Total
2006
Total
2007
Total
2008
Total
2009
Total
2010
Total
2011[214]
Total
2012[215]
Total
2013
Total
2014
Total mundial 1425 1753 2220 2798 3911 5340 6915 9443 15 772 23 210 39 778 69 684 102 024[216] 138 900[217] ~184 000[10]
Bandera de Unión Europea Unión Europea 154 248 389 590 1297 2299 3285 5257 10 554 16 357 29 328 51 360 68 640 78 970[218] ~90 000[219]
Bandera de Alemania Alemania 113,7 194,6 278 431 1034 1926 2759 3835,5 5340 9959 17 320 24 875 32 411 35 600[220] 38 128[221]
Bandera de la República Popular China China - - - - - - - - - - 893 3093 8043 19 800[217] 28 100[11]
Bandera de Japón Japón 330,2 452,8 636,8 859,6 1132 1421,9 1708,5 1918,9 2144 2627 3617 4914 6704 13 600[217] 23 300[11]
Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 138,8 167,8 212,2 275,2 376 479 624 830,5 1168,5 1255,7 2519 4383 7665 12 100[222] 18 600[223]
Bandera de Italia Italia 19 20 22 26 30,7 37,5 50 120,2 458,3 1157 3502 12 764 16 987 18 400[217] 18 500[11]
Bandera de Francia Francia 11,3 13,9 17,2 21,1 26 33 43,9 75,2 179,7 335,2 1025 2831 3843 4598[224] 5700[11]
Bandera del Reino Unido Reino Unido 1,9 2,7 4,1 5,9 8,2 10,9 14,3 18,1 22,5 29,6 72 1014 1831 2706[225] 5000[226]
Bandera de España España 2 4 7 12 23 48 145 693 3354 3438 3892 4214 4537 4667 4672[177]
Bandera de Australia Australia 29,2 33,6 39,1 45,6 52,3 60,6 70,3 82,5 104,5 183,6 504 1298 2291 3100[227] 4100[228]
Bandera de India India - - - - - - - - - - 189 461 1839 2180[229] 3382
Flag of Belgium (civil).svg Bélgica - - - - - - - - - 574 803 2018 2650 2865[217] 3100[11]
Bandera de Grecia Grecia - - - - - - - - - 55 206 631 1536 2523[197]
Bandera de la República Checa República Checa - - - - - - - - - 463,3 1953 1960 2022 2132
Bandera de Canadá Canadá 7,2 8,8 10 11,8 13,9 16,7 20,5 25,8 32,7 94,6 200 563 831 1275[217] 1775[11]
Bandera de Corea del Sur Corea del Sur 4 4,8 5,4 6 8,5 13,5 35,8 81,2 357,5 441,9 662 754 1006 1448[217]
Bandera de Tailandia Tailandia - - - - - - - - - - 28 149 359 676[217] 1300[230]
Bandera de Rumania Rumanía - - - - - - - - - - - - 49,5 1150[231]
Flag of Switzerland (Pantone).svg Suiza 15,3 17,6 19,5 21 23,1 27,1 29,7 36,2 47,9 73,6 111 216 416 716 1036[11]
Flag of Bulgaria.svg Bulgaria - - - - - - - - - 5,7 18 133 933 1019
Bandera de los Países Bajos Holanda 12,8 20,5 26,3 45,7 49,2 50,7 52,2 52,8 57,2 67,5 97 118 321 665,4[232] 1000[233]
Bandera de Austria Austria 4,9 6,1 10,3 16,8 21,1 24 25,6 27,7 32,4 52,6 103 176 418 690 830[11]
Bandera de Sudáfrica Sudáfrica - - - - - - - - - - 40 41 41 s.d. 800[11]
Bandera de Taiwán Taiwán - - - - - - - - - - 32 102 206 376 776[11]
Bandera de Israel Israel - - - - 0,9 1 1,3 1,8 3 24,5 66 196 250 433 683[11]
Bandera de Dinamarca Dinamarca 1,5 1,5 1,6 1,9 2,3 2,7 2,9 3,1 3,3 4,6 7,1 17 394 594[217] 636[11]
Flag of Slovakia.svg Eslovaquia - - - - - - - - - 0,2 145 488 523 537
Bandera de Chile Chile - - - - - - - - - - - - 5,7 s.d. 362[234]
Bandera de Ucrania Ucrania - - - - - - - - - - 3 190 326 s.d.
Bandera de Portugal Portugal 1,1 1,3 1,7 2,1 2,7 3 3,4 17,9 68 102,2 131 144 244 278[235]
Flag of Slovenia.svg Eslovenia - - - - - - - - - 9 36 90 198 255
Bandera de Malasia Malasia - - - - - - 5,5 7 9 11 15 15 36 78 170[236]
Bandera de Luxemburgo Luxemburgo - - - - - - - - - 27 27 30 76 100
Bandera de México México 13,9 15 16,2 17,1 18,2 18,7 19,7 20,8 21,8 25 31 37 52 70[237] 200
Bandera de Suecia Suecia 2,8 3 3,3 3,6 3,9 4,2 4,8 6,2 7,9 9 11 16 24 43 79[11]
Bandera de Lituania Lituania - - - - - - - - - - - - 6 68
Bandera del Perú Perú - - - - - - - - - - - - 40 s.d. 114
Bandera de Chipre Chipre - - - - - - - - - 3,3 6,2 10 17 35
Bandera de Ecuador Ecuador - - - - - - - - - s.d. s.d. s.d. s.d. s.d. 26
Bandera de Malta Malta - - - - - - - - - 2 2 11,5 18 25
Bandera de Croacia Croacia - - - - - 0,5 1,2 3,2 5,6 12,1 16,4 16,4 21,7 24,7
Bandera de Jordania Jordania - - - - - - - - - - - - - - 23.4
Bandera de Hungría Hungría - - - - - - - - - - - - 4 15
Bandera de Turquía Turquía 0,4 0,6 0,9 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 4 5 6 7 9 15
Bandera de Noruega Noruega 6 6,2 6,4 6,6 6,9 7,3 7,7 8 8,3 9 9 10 10 s.d.
Bandera de Finlandia Finlandia - - - - - - - - - 5 7 8 8 s.d.
Bandera de Polonia Polonia - - - - - - - - - - - - 7 s.d.
Bandera de Brasil Brasil - - - - - - - - - - 27 32 s.d. s.d.
Bandera de Argentina Argentina - - - - - - - - - - 1,2 6,2 s.d. s.d.

Previsión a largo plazo[editar]

Potencia fotovoltaica instalada en el mundo, en GW. Datos históricos hasta 2013 y previsión hasta 2018.[121]
     Datos históricos      Previsión moderada      Previsión optimista

El informe de 2014 de la European Photovoltaic Industry Association (EPIA) estimaba que la potencia fotovoltaica instalada crecería entre 35 y 52 GW en 2014. Se espera que China tome el liderato frente a Alemania para convertirse en el mayor productor de energía fotovoltaica en 2016. Para 2018, se estima que la potencia total instalada se habrá duplicado (escenario moderado de 320 GW) o incluso triplicado (escenario optimista de 430 GW) en menos de 5 años. EPIA también calcula que la energía fotovoltaica cubrirá entre un 10 y un 15% de la demanda de Europa en 2030.

Un informe conjunto de EPIA y Greenpeace publicado en 2010 muestra que para el año 2030, un total de 1845 GW fotovoltaicos podrían generar aproximadamente 2646 TWh/año de electricidad en todo el mundo. Combinado con medidas de eficiencia energética, esta cifra representaría cubrir el consumo de casi un 10% de la población mundial. Para el año 2050, se estima que más del 20% de la electricidad mundial podría ser cubierto por la energía fotovoltaica.[12]

Plantas fotovoltaicas de conexión a red[editar]

Solar park
Parque solar Lauingen Energy Park, de 25,7 MW en Suabia (Baviera, Alemania)
Parque solar en Waldpolenz, Alemania

En Europa y en el resto del mundo se han construido un gran número de centrales fotovoltaicas a gran escala.[108] En febrero de 2015, las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo eran, de acuerdo a su capacidad de producción:[108]

Proyecto País
Potencia
Año
Desert Sunlight Solar Farm Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 550 MW 2015
Topaz Solar Farm Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 550 MW 2014
Longyangxia Hydro-solar PV Station Bandera de la República Popular China China 320 MW 2013
California Valley Solar Ranch Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 250 MW 2013
Agua Caliente Solar Project Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 250 MW 2012
Charanka Solar Park Bandera de India India 214 MW 2012
Gonghe Industrial Park Phase I Bandera de la República Popular China China 200 MW 2013
Golmud Solar Park Bandera de la República Popular China China 200 MW 2011
Centinela Solar Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 170 MW 2014
Solarpark Meuro Bandera de Alemania Alemania 166 MW 2011-2012
Solarpark Neuhardenberg Bandera de Alemania Alemania 156 MW 2012-2015
Neemuch PV power plant Bandera de India India 151 MW 2014
Copper Mountain II Solar Facility Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 150 MW 2013-2015
Mesquite Solar I Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 150 MW 2011-2012
Catelina Solar Project Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 143 MW 2013
Campo Verde Solar Project Bandera de los Estados Unidos Estados Unidos 139 MW 2013
Solarpark Templin Bandera de Alemania Alemania 128 MW 2012
Sakri PV power plant Bandera de India India 125 MW 2013

A principios de 2015, la mayor planta solar fotovoltaica del mundo, Topaz Solar Farm, tiene una potencia de 550 MW y se encuentra en California (Estados Unidos).[238] La planta Desert Sunlight Solar Farm en Riverside County, también en California, tiene asimismo una potencia de 550 MW.[239] El proyecto Blythe Solar Power consiste en una planta fotovoltaica de 500 MW, situada igualmente en Riverside County, cuya construcción está prevista próximamente.[240]

Hay otras muchas plantas de gran escala en construcción. El proyecto Solar Star, previsto para finales de 2015 en California, alcanzará los 579 MW.[241] El McCoy Solar Energy Project,[242] [243] en Estados Unidos, tendrá una potencia de 750 MW una vez completado.[244] En los últimos años, se ha propuesto la construcción de varias plantas de potencias superiores a los 1000 MW en diferentes lugares del mundo. La planta Quaid-e-Azam Solar Park, situada en Pakistán y cuya primera fase ya se encuentra operativa con 100 MW,[245] [246] [247] tiene previsto ampliar su capacidad hasta los 1500 MW.[248] Los Emiratos Árabes Unidos planean también la construcción de una planta de 1000 MW.[249] [250] [251] El Ordos Solar Project,[252] situado en China, alcanzará los 2000 MW.[253] El proyecto Westlands Solar Park tiene una capacidad prevista de 2700 MW,[254] a ser completado en varias fases.

En lo que respecta a instalaciones sobre cubierta, en junio de 2008 General Motors anunció la construcción de la que hasta hoy sigue siendo la mayor planta de energía fotovoltaica sobre techo del mundo en Figueruelas (Zaragoza), con una superficie de 183 000 metros cuadrados, cuenta con 11,8 MW de potencia.[255] [nota 7]

Autoconsumo y balance neto[editar]

Instalación fotovoltaica sobre tejado en una residencia de Boston (Massachusetts, Estados Unidos).
Ejemplo de integración de la energía solar fotovoltaica sobre el tejado de una vivienda.

El autoconsumo fotovoltaico consiste en la producción individual a pequeña escala de electricidad para el propio consumo, a través de paneles fotovoltaicos. Ello se puede complementar con el balance neto. Este esquema de producción, que permite compensar el consumo eléctrico mediante lo generado por una instalación fotovoltaica en momentos de menor consumo, ya ha sido implantado con éxito en muchos países. Fue propuesto en España por la Asociación de la Industria Fotovoltaica (ASIF) para promover la electricidad renovable sin necesidad de apoyo económico adicional,[256] y estuvo en fase de proyecto por el IDAE.[257] Posteriormente se recogió en el Plan de Energías Renovables 2011-2020,[258] pero todavía no ha sido regulado.

Sin embargo, en los últimos años, debido al creciente auge de pequeñas instalaciones de energía renovable, el autoconsumo con balance neto ha comenzado a ser regulado en diversos países del mundo, siendo una realidad en países como Alemania, Italia, Dinamarca, Japón, Australia, Estados Unidos, Canadá y México, entre otros.

Entre las ventajas del autoconsumo respecto al consumo de la red se encuentran las siguientes:

  • Con el abaratamiento de los sistemas de autoconsumo y el encarecimiento de las tarifas eléctricas, cada vez es más rentable que uno mismo produzca su propia electricidad.[22]
  • Se reduce la dependencia de las compañías eléctricas.
  • Los sistemas de autoconsumo fotovoltaicos utilizan la energía solar, una fuente gratuita, inagotable, limpia y respetuosa con el medioambiente.
  • Se genera un sistema distribuido de generación eléctrica que reduce la necesidad de invertir en nuevas redes y reduce las pérdidas de energía por el transporte de la electricidad a través de la red.[259]
  • Se reduce la dependencia energética del país con el exterior.
  • Se evitan problemas para abastecer toda la demanda en hora punta, conocidos por los cortes de electricidad y subidas de tensión.
  • Se minimiza el impacto de las instalaciones eléctricas en su entorno.

En el caso del autoconsumo fotovoltaico, el tiempo de retorno de la inversión se calcula en base a cuánta electricidad se deja de consumir de la red, debido al empleo de paneles fotovoltaicos.

Por ejemplo, en Alemania, con precios de la electricidad en 0,25 €/kWh y una insolación de 900 kWh/kW, una instalación de 1 kWp ahorra unos 225 € al año, lo que con unos costes de instalación de 1700 €/kWp significa que el sistema se amortizará en menos de 7 años.[260] Esta cifra es aún menor en países como España, con una irradiación superior a la existente en el norte del continente europeo.[48]

Eficiencia y costos[editar]

Cronología de las eficiencias de conversión logradas en células solares fotovoltaicas (fuente: National Renewable Energy Laboratory de Estados Unidos)
Evolución del precio de las células fotovoltaicas de silicio cristalino (en $/Wp) entre 1977 y 2014 (fuente: Bloomberg New Energy Finance)[261]

Las eficiencias de las células solares varían entre el 6% de aquellas basadas en silicio amorfo hasta el 46% de las células multiunión.[262] [263] Las eficiencias de conversión de las células solares que se utilizan en los módulos fotovoltaicos comerciales (de silicio monocristalino o policristalino) se encuentran en torno al 14-22%.[264] [265]

El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977 hasta aproximadamente 0,36 $/Wp en 2014.[266] [261] Esta tendencia sigue la llamada "ley de Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.[267]

En 2014, el precio de los módulos solares se había reducido en un 80% desde el verano de 2008,[268] [269] colocando a la energía solar por primera vez en una posición ventajosa respecto al precio de la electricidad pagado por el consumidor en un buen número de regiones soleadas.[270] En este sentido, el coste medio de generación eléctrica de la energía solar fotovoltaica es ya competitivo con el de las fuentes convencionales de energía en una creciente lista de países,[271] particularmente cuando se considera la hora de generación de dicha energía, ya que la electricidad es usualmente más cara durante el día.[272] Se ha producido una dura competencia en la cadena de producción, y asimismo se esperan mayores caídas del coste de la energía fotovoltaica en los próximos años, lo que supone una creciente amenaza al dominio de las fuentes de generación basadas en las energías fósiles.[273] Conforme pasa el tiempo, las tecnologías de generación renovable son generalmente más baratas,[274] [275] mientras que las energías fósiles se vuelven más caras:

Cuanto más desciende el coste de la energía solar fotovoltaica, más favorablemente compite con las fuentes de energía convencionales, y más atractiva es para los usuarios de electricidad en todo el mundo. La fotovoltaica a pequeña escala puede utilizarse en California a precios de $100/MWh ($0,10/kWh) por debajo de la mayoría de otros tipos de generación, incluso aquellos que funcionan mediante gas natural de bajo coste. Menores costes en los módulos fotovoltaicos también suponen un estímulo en la demanda de consumidores particulares, para los que el coste de la fotovoltaica se compara ya favorablemente al de los precios finales de la energía eléctrica convencional.[276]

En 2011, el coste de la fotovoltaica había caído bastante por debajo del de la energía nuclear,[277] y se espera que siga cayendo:[278]

Para instalaciones a gran escala, ya se han alcanzado precios por debajo de 1 $/Vatio. Por ejemplo, en abril de 2012 se publicó un precio de módulos fotovoltaicos a 0,60 Euros/Vatio (0,78 $/Vatio) en un acuerdo marco de 5 años.[279] En algunas regiones, la energía fotovoltaica ha alcanzado la paridad de red, que se define cuando los costes de producción fotovoltaica se encuentran al mismo nivel, o por debajo, de los precios de electricidad que paga el consumidor final (aunque en la mayor parte de las ocasiones todavía por encima de los costes de generación en las centrales de carbón o gas, sin contar con la distribución y otros costes inducidos). La energía fotovoltaica se genera durante un período del día muy cercano al pico de demanda (lo precede) en sistemas eléctricos que hacen gran uso del aire acondicionado. Más generalmente, es evidente que, con un precio de carbón de 50 $/tonelada, que eleva el precio de las plantas de carbón a 5 cent./kWh, la energía fotovoltaica será competitiva en la mayor parte de los países. El precio a la baja de los módulos fotovoltaicos se ha reflejado rápidamente en un creciente número de instalaciones, acumulando en todo 2011 unos 23 GW instalados ese año. Aunque se espera cierta consolidación en 2012, debido a recortes en el apoyo económico en los importantes mercados de Alemania e Italia, el fuerte crecimiento muy probablemente continuará durante el resto de la década. De hecho, ya en un estudio se mencionaba que la inversión total en energías renovables en 2011 había superado las inversiones en la generación eléctrica basada en el carbón.[278]

La tendencia es que los precios disminuyan aún más con el tiempo una vez que los componentes fotovoltaicos han entrado en una clara y directa fase industrial.[280] [281] A finales de 2012, el precio medio de los módulos fotovoltaicos había caído a 0,50 $/Wp, y las previsiones apuntan que su precio seguirá reduciéndose hasta los 0,36 $/Wp en 2017.[282]

Una instalación fotovoltaica puede operar durante 30 años o más[283] con escaso mantenimiento o intervención tras su puesta en marcha, por lo que tras el coste de inversión inicial necesario para construir una instalación fotovoltaica, sus costes de operación son muy bajos en comparación con el resto de fuentes energéticas existentes.

Energía fotovoltaica de capa fina o Thin film[editar]

Laminados fotovoltaicos de capa fina siendo instalados sobre un tejado.
Cuota de mercado de las diferentes tecnologías fotovoltaicas: Se observa la predominancia de las células de silicio. En 2010, la cuota de la tecnología de capa delgada cayó un 30% debido al crecimiento de las más eficientes tecnologías de silicio mono y policristalinas que dominan el mercado (están representadas en azul claro e intenso).[284]

Otra alternativa de bajo coste a las células de silicio cristalino es la energía fotovoltaica de capa o película fina que está basada en las células solares de tercera generación.[285] Consisten en una célula solar que se fabrica mediante el depósito de una o más capas delgadas (película delgada) de material fotovoltaico en un sustrato.

Las células solares de película delgada suelen clasificarse según el material fotovoltaico utilizado:

La Conferencia Internacional Energía Solar de Bajo Costo de Sevilla, realizada en febrero de 2009, fue el primer escaparate en España de las mismas.[291] Esta tecnología causó grandes expectativas en sus inicios. Sin embargo, la fuerte caída en el precio de las células y los módulos de silicio policristalino desde finales de 2011 ha provocado que algunos fabricantes de capa fina se hayan visto obligados a abandonar el mercado, mientras que otros han visto muy reducidos sus beneficios.[292]

El Presidente de Estados Unidos Barack Obama pronuncia un discurso durante la inauguración de una planta solar fotovoltaica, en mayo de 2009.

Beneficio medioambiental[editar]

La cantidad de energía solar que alcanza a la superficie terrestre es enorme, cerca de 122 petavatios (PW), y equivale a casi 10 000 veces más que los 13 TW consumidos por la humanidad en 2005.[293] Esta abundancia sugiere que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la principal fuente de energía de la humanidad.[294] Adicionalmente, la generación eléctrica mediante fotovoltaica presenta la mayor densidad energética (una media global de 170 W/m2) de todas las energías renovables.[293]

A diferencia de las tecnologías de generación de energía basadas en combustibles fósiles, la energía solar fotovoltaica no produce ningún tipo de emisiones nocivas durante su funcionamiento, aunque la producción de los paneles fotovoltaicos presenta también un cierto impacto ambiental. Los residuos finales generados durante la fase de producción de los componentes, así como las emisiones de las factorías, pueden gestionarse mediante controles de contaminación ya existentes. Durante los últimos años también se han desarrollado tecnologías de reciclaje para gestionar los diferentes elementos fotovoltaicos al finalizar su vida útil,[295] y se están llevando a cabo programas para incrementar el reciclaje entre los productores fotovoltaicos.[296]

Emisiones de gases de efecto invernadero[editar]

Las emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo del ciclo de vida para la fotovoltaica son cercanas a los 46 g/kWh, pudiendo reducirse incluso hasta 15 g/kWh en un futuro próximo.[297] En comparación, un planta de gas de ciclo combinado emite entre 400-599 g/kWh,[298] un planta de gasoil 893 g/kWh,[298] una planta de carbón 915-994 g/kWh[299] o con tecnología de captura de carbono unos 200 g/kWh (excluyendo las emisiones durante la extracción y el transporte de carbón), y una planta de energía geotérmica de alta temperatura, entre 91-122 g/kWh.[298] La intensidad de las emisiones para el ciclo de vida de la energía hidráulica, eólica y la energía nuclear es menor que la de la energía fotovoltaica, según los datos publicados por el IPCC en 2011.[298]

Al igual que todas las fuentes de energía cuyas emisiones dependen principalmente de las fases de construcción y transporte, la transición hacia una economía de bajo carbono podría reducir aún más las emisiones de dióxido de carbono durante la fabricación de los dispositivos solares.

Un sistema fotovoltaico de 1 kW de potencia ahorra la combustión de aproximadamente 77 kg (170 libras) de carbón, evita la emisión a la atmósfera de unos 136 kg (300 libras) de dióxido de carbono, y ahorra mensualmente el uso de unos 400 litros (105 galones) de agua.[300]

Reciclaje de módulos fotovoltaicos[editar]

Al finalizar su vida útil, la mayor parte de los paneles fotovoltaicos puede ser tratada. Gracias a las innovaciones tecnológicas que se han desarrollado en los últimos años, se puede recuperar hasta el 95% de ciertos materiales semiconductores y el vidrio, así como grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos utilizados en los módulos.[301] Algunas empresas privadas[302] y organizaciones sin fines de lucro, como por ejemplo PV CYCLE en la Unión Europea, están trabajando en las operaciones de recogida y reciclaje de paneles al final de su vida útil.[303]

Dos de las soluciones de reciclaje más comunes son:

  • Paneles de silicio: Los marcos de aluminio y las cajas de conexión son desmantelados manualmente al comienzo del proceso. El panel se tritura y las diferentes fracciones se separan: vidrio, plásticos y metales.[304] Es posible recuperar más de 80% del peso entrante[305] y, por ejemplo, el cristal mixto extraído es fácilmente aceptado por las industrias de la espuma de vidrio y del aislamiento. Este proceso puede ser realizado por los recicladores de vidrio plano ya que la morfología y composición de un panel fotovoltaico es similar al cristal plano utilizado en la industria de la construcción y del automóvil.
  • Paneles de otros materiales: Hoy en día se cuenta con tecnologías específicas para el reciclaje de paneles fotovoltaicos que no contienen silicio, algunas técnicas utilizan baños químicos para separar los diferentes materiales semiconductores.[306] Para los paneles de teluro de cadmio, el proceso de reciclaje empieza por aplastar el módulo y, posteriormente, separar las diferentes partes. Este proceso de reciclaje está diseñado para recuperar hasta un 90% del vidrio y 95% de los materiales semiconductores.[307] En los últimos años, algunas empresas privadas han puesto en marcha instalaciones de reciclaje a escala comercial.[308]

Desde 2010 se celebra una conferencia anual en Europa que reúne a productores, recicladores e investigadores para debatir el futuro del reciclaje de módulos fotovoltaicos. En 2012 tuvo lugar en Madrid.[309] [310]

Véase también[editar]

Notas[editar]

  1. La fotovoltaica abasteció el 8,4 % de la demanda eléctrica en Italia en agosto de 2012. El operador de red italiano Terna SpA informó de que, en el mes de agosto de 2012, el 8,4 % de la demanda eléctrica del país se abasteció con electricidad producida por sistemas fotovoltaicos. Los informes mensuales de Terna sobre el sistema eléctrico del país arrojaron que la potencia generada por fuentes fotovoltaicas aumentó desde los 1 501 gigavatios hora generados en agosto de 2011 hasta los 2 240 gigavatios hora alcanzados en agosto de 2012, lo que supone un aumento del 49,2 %. Fuente: Terna SpA
  2. El físico Alejandro Volta también proporciona el término voltio a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de medidas.
  3. Una pequeña proporción de átomos de silicio se sustituye por un elemento de valencia superior en la tabla periódica, es decir, que tiene más electrones en su capa de valencia que el silicio. El silicio tiene 4 electrones en su capa de valencia: se pueden utilizar elementos del columna 15, por ejemplo, fósforo.
  4. Por un elemento de valencia menor que el silicio. Puede ser boro (B) u otro elemento de la columna 13.
  5. Sin embargo, se le puede dar una forma ondulada, para aumentar la superficie activa.
  6. Y estas cifras siguen creciendo: debido al incremento de la potencia fotovoltaica instalada en el país, de enero a septiembre de 2012 el 6,1% de la demanda de electricidad alemana fue cubierta con energía producida por sistemas fotovoltaicos, según la Asociación alemana de las industrias energéticas e hídricas (BDEW).
  7. En el proyecto colaboraron la Comunidad de Aragón, la empresa francesa Veolia Environnement y el grupo estadounidense Clairvoyant Energy.

Referencias[editar]

  1. Joshua Pearce, "Photovoltaics - A Path to Sustainable Futures", Futures 34 (7), 663-674, 2002. open access
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