La fotovoltaica, una tecnología en constante desarrollo

La fotovoltaica, una tecnología en constante desarrollo
Andrés Celave
Responsable Dpto. Estudios e Investigación
www.ecooo.es
Cuando hablamos de desarrollo tecnológico, la fotovoltaica es una de las energías renovables
en la que más se ha avanzado en los últimos años. A la mejora del rendimiento y a la
significativa reducción de costes de los módulos, se le ha sumado la aparición de múltiples
tecnologías que dan alternativa a la utilización del silicio. En el presente informe, daremos un
repaso de las diversas opciones que existen en el mercado fotovoltaico actual, así como de las
que están en proceso de investigación y podrán comenzar a comercializarse en el corto y
mediano plazo. También veremos los impactos que puede llegar a tener esta fuente energética
en la salud humana y el medioambiente.
Tipos de módulos existentes
Si nos remitimos a la tecnología fotovoltaica que es comercializable hoy en día, el tipo de
módulos basado en el silicio cristalino es el protagonista indiscutible.
Aproximadamente un 86% de la producción mundial de módulos se basa en este material
semiconductor, en sus versiones mono y policristalina principalmente, que se suelen incluir en
la llamada “primera generación” de la tecnología fotovoltaica. El resto es completado por las
diversas tecnologías de “capa fina” o de “segunda generación”, que pueden disponerse sobre
superficies rígidas o flexibles. Entre ellas, se encuentran los paneles del silicio amorfo
(obtenido a partir del gas de silicio), las CIS (cobre, indio y selenio) y las CIGS (a los anteriores
se les añade el galio), las cuales alcanzan una cuota conjunta del 1% en el mercado mundial, y
las de teluro de cadmio (CdTe, por sus siglas en inglés), material que acaparó en 2009 un 13%
de dicho mercado1.
De todas las opciones, el módulo de silicio monocristalino es el que ofrece mayores
rendimientos (del orden de entre el 13% y el 19%2), es decir, es el que mayor cantidad de
radiación solar aprovecha de toda la que recibe. Sin embargo, el coste de producción del silicio
policristalino es más reducido y eso permite contrarrestar su menor eficiencia (entre el 11% y
el 15%), razón por la cual esta última tecnología tiene una cuota de mercado mayor que la del
silicio monocristalino en el ámbito mundial3. Entre las opciones de capa fina, por su parte, las
CIS son las que muestran unos rendimientos más óptimos (10%-12%), seguidas de las CdTe
(9%-10%). La tecnología de silicio amorfo es mucho menos eficiente, encontrándose su
rendimiento entre el 5% y el 8%.
1
Informe ASIF 2010. p. 32.
Falk, A.; Dürschner, C.; Remmers, K. Fotovoltaica para profesionales. Solarpraxis. Berlín, 2006. p. 92.
Dos grandes productores como Sunpower y Yingli son los que están comercializando actualmente
módulos de silicio monocristalino con eficiencias de 19% y 18,5%, respectivamente.
3
Un 45% en el año 2009, frente a un 37% de la tecnología monocristalina, según ASIF.
2
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De cara al futuro, se espera que la relación entre rendimiento y coste vaya mejorando en todas
estas tecnologías de primera y segunda generación.
En este sentido, las de capa fina no basadas en silicio han tenido una mejor evolución
comercial en los últimos años4, en la medida en que están dando muestras de mejoras
significativas en su eficiencia, manteniendo un coste de producción menor que las de silicio
cristalino. A estas últimas, por su parte, les cuesta obtener incrementos considerables en el
rendimiento, pero pueden reducir sus costes si obtienen economías de escala de forma
progresiva. Esta progresividad es necesaria debido a que, aunque el silicio es un material muy
abundante (el más abundante en la tierra tras el oxígeno), el proceso de producción de los
bloques de mono y policristalino es complejo y está desligado de la producción de silicio para
otros usos más corrientes (dispositivos electrónicos en general, que requieren un nivel de
pureza mayor). Un aumento brusco de la demanda, por tanto, puede provocar situaciones de
escasez que lleven a un encarecimiento del producto. Hoy en día el kilogramo de silicio
policristalino tiene un precio de 56 US$ aproximadamente5; es relativamente alto y es
consecuencia, precisamente, de la repentina subida de la demanda en algunos países, tales
como Alemania, Francia e Italia. Sin embargo, el precio de los módulos basados en este
material se ha ido reduciendo en los últimos años. En España concretamente, esta reducción
fue del 53% entre los años 2007 y 2009, y podría ser similar desde hoy hasta el 20156.
Implicaciones medioambientales y para la salud humana
La energía solar fotovoltaica es considerada una energía renovable por cuanto el combustible
del que se abastece, la radiación solar, es inagotable, y es una energía “limpia”, en la medida
en que no emite gases de efecto invernadero en la generación de electricidad. Sin embargo, su
producción, instalación y puesta en marcha pueden conllevar una serie de impactos sobre el
medioambiente, como en el caso de cualquier otra industria.
La cuestión que suele saltar a la palestra de muchos debates es el de las emisiones de CO2 que
se dan en la propia producción de los módulos y del resto de dispositivos que componen una
instalación fotovoltaica. No vamos a indagar mucho en este punto ya que en un anterior
informe analizamos esta problemática7. Valga recalcar simplemente que, de media, un módulo
de silicio emite alrededor de 2 toneladas de CO2 por kW instalado, una cantidad que se
compensa en dos años, quedando un margen aproximado de 28 años de generación eléctrica
libre de gases de efecto invernadero.
Otro aspecto importante dentro de los posibles impactos de esta tecnología, en este caso
sobre la salud humana, es el de los metales pesados que son utilizados en su producción y que
resultan tóxicos. Esta es una cuestión que afecta a las diversas clases de módulos y a sus
dispositivos complementarios, pero en especial a la tecnología basada en el teluro de cadmio.
El cadmio obtiene, como hemos visto, cotas relativamente altas de eficiencia en la generación
eléctrica, pero se trata de un material cuyo uso es acotado por la misma Unión Europea a los
casos en los que no existan alternativas más seguras. Por esta razón, y porque su peligrosidad
4
Es significativo el crecimiento de la cuota de mercado de la tecnología de CdTe en el último lustro, ya
que en 2006 sólo cubría el 1% y, como hemos visto, hoy ronda el 13%.
5
Bloomberg New Energy Finance, nota de prensa del miércoles 25 de agosto de 2010.
6
MITyC, abril de 2010.
7
Ver el informe Energía solar fotovoltaica, ¿una energía limpia? En http://www.ecooo.es/95/ecoooinformes/Energ%C3%ADa-solar-fotovoltaica---una-energ%C3%ADa-%E2%80%9Climpia%E2%80%9D-/
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está condicionada a situaciones excepcionales (incendios, roturas de módulos o lluvias ácidas),
la UE no ha incluido de momento esta tecnología fotovoltaica entre las categorías donde se
prohíbe su uso8. Sin embargo, ya se han levantado voces, incluso desde el mismo sector, que
piden la prohibición de este metal pesado en la industria fotovoltaica. En este sentido, la
recientemente formada Non Toxic Solar Alliance9, constituida por académicos, científicos y
empresarios, argumenta, basándose en una investigación realizada en 2010 por el Wuppertal
Institute10, que existen claros riesgos de contacto con importantes cantidades de esta
sustancia tóxica. En el lado contrario se encuentran representantes del sector de CdTe y otros
defensores de esta opción fotovoltaica, que se basan en un estudio de 1998, elaborado en el
seno de la Fraunhofer Institute for Solid State Technology11, en el que se comprueba que la
dosis de cadmio que se filtraría a la tierra debido a una rotura de las células estaría muy por
debajo de los valores críticos12. De manera que existe un gran debate en lo referente a los
módulos de capa fina de teluro de cadmio, en el cual, además del interés por la salud pública,
parecen haberse inmiscuido algunos intereses empresariales13.
Los metales pesados y las sustancias tóxicas se encuentran también en otro tipo de células. En
las CIS, de hecho, también hay presencia de cadmio pero en unas dosis de dos grados de
magnitud por debajo de las CdTe, con lo que no suponen ningún riesgo para la salud. Por su
parte, en la producción de silicio, sea este cristalino o amorfo, se dan emisiones de polvo de
sílice, de xilano, y de otros tóxicos tales como el diborano y la fosfina, pero siempre en
cantidades reducidas que no implican riesgos serios. Además, los módulos de silicio mono y
policristalino utilizan plomo en las células, un metal pesado cuyo uso también podría ser
restringido próximamente por la legislación europea, pero para el que existen alternativas14.
Todos estos riesgos son incomparablemente reducidos frente a los riesgos constantes que
representa para la salud y el medioambiente el esmog generado en la combustión del carbón y
del petróleo, o el grave riesgo de accidentes nucleares y de vertido de residuos radiactivos. No
obstante, los posibles impactos de la fotovoltaica pueden minimizarse actualmente gracias al
reciclado de los productos. Esto garantiza, por un lado, la reducción de la energía consumida y
de las emisiones generadas en la producción de los paneles y, por el otro, el mantenimiento de
estas sustancias tóxicas en un ciclo cerrado, evitando así el contacto con el medioambiente y
las personas. En este sentido, la organización europea PV Cycle15, que reúne a miembros de la
industria y de la universidad, se encarga de promover a nivel continental el reciclado de los
módulos fotovoltaicos, con lo que se pretende reutilizar un 95% del material semiconductor16.
Por lo demás, otros tipos de impacto ambiental como el de utilización de agua o el impacto
visual son poco significativos en comparación con los de otras fuentes energéticas. En cuanto
8
Ver Directiva 2002/95/CE, de 27 de enero de 2003, sobre restricciones a la utilización de determinadas
sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos, y también el Anexo I A de la Directiva
2002/96/CE, sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos.
9
http://www.ntsa.eu/
10
Saurat, M.; Ritthoff, M. Appraisal of Laboratory Analyses Conducted on CdTe Photovoltaic Modules.
Agosto de 2010.
11
La referencia a este estudio se hace en el artículo “Below the limit”, de Christoph Podewils, aparecido
en Photon International, junio de 2010, pp. 52 a 54.
12
El valor crítico es de 3 mg por kilogramo de tierra afectada por el cadmio.
13
Próximamente el Parlamento Europeo revisará la Directiva 2002/95/CE, y tendrá que decidir si aplica
las restricciones a esta tecnología, lo que sin duda haría desaparecer su industria, en la medida en que el
cadmio es su recurso básico e insustituible.
14
Photon international, junio de 2010, nota del editor.
15
http://www.pvcycle.org/
16
http://www.firstsolar.com/en/recycling.php
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al impacto visual, incluso, este se irá reduciendo drásticamente a medida que la energía
fotovoltaica se vaya expandiendo en su aplicación de ámbito urbano sobre techo,
abandonándose la que se da sobre suelo, fundamentalmente en el campo.
Tecnologías en fase de investigación
En el ámbito de la investigación se están desarrollando diferentes tecnologías que buscan dar
respuesta a los desafíos de eficiencia, costes e impactos medioambientales y sobre la salud,
que hemos visto hasta aquí.
Entre esos desarrollos, está el de la propia tecnología del silicio. Lo que más encarece los
módulos de silicio es, como hemos dicho, el proceso de producción de este material. Este alto
coste se debe, en gran medida, al corte de los lingotes de silicio para la obtención de finas
obleas que son las que componen finalmente una célula fotovoltaica. Al cortar estos lingotes
se pierde una gran cantidad de silicio. Nuevos avances, a partir de investigaciones realizadas
por el Massachusetts Institute of Technology, lograrían evitar estas pérdidas al realizar el corte
de las obleas con el silicio en estado líquido. En este sentido, se habla de un ahorro de
alrededor del 80%17 respecto al coste actual, lo cual abarataría de forma significativa la
electricidad producida con esta tecnología, en la medida en que la producción de silicio es la
parte que más peso tiene en la propia producción de los módulos.
Relacionada con la reducción de costes en el silicio está también la llamada energía
fotovoltaica de concentración en módulos, una de las categorías que se encuentran dentro de
la denominada “tercera generación” de producción fotovoltaica. Esta tecnología ha venido
siendo desarrollada en el último lustro y en España particularmente han tenido algunas
aplicaciones. Con ella, la radiación del sol, que por definición es difusa, se concentra mediante
espejos u otros materiales en un punto en concreto, logrando una mayor incidencia por cada
célula de las que componen los módulos. De esta forma, para obtener una misma potencia se
necesitará hasta 250 veces menos silicio que en los módulos convencionales. Sin embargo,
para que esto sea posible, los paneles fotovoltaicos de concentración necesitan apoyarse en
seguidores, con lo que su aplicación práctica se limita casi exclusivamente a instalaciones
sobre suelo, siendo dificultosa su disposición sobre tejados. Sumado a esto, este tipo de
tecnología todavía tiene que avanzar en su curva de aprendizaje; la propia industria espera
bajar los costes actuales en un 55% para el 201518.
Pero no sólo en los módulos de silicio cristalino hay innovaciones en marcha; la “tercera
generación” también se desarrolla en otras alternativas, siendo la tecnología de las
“nanoantenas” una de ellas. Estas son espirales de metal (cobre principalmente) de tamaño
muy reducido (25 veces menos gruesas que un cabello humano), capaces de actuar como
material semiconductor, y cuya aplicación puede darse sobre todo tipo de superficies: desde
ventanas a techos de vehículos o, incluso, bolsas de plástico. La característica más relevante de
este tipo de tecnología solar es que pueden absorber la radiación infrarroja en forma de calor,
lo cual les permite funcionar no sólo durante el día, sino también durante la noche, al tiempo
que les proporciona una eficiencia tres veces mayor que la del resto de tecnologías de capa
fina. Frente a cualquier otra tecnología solar fotovoltaica, las nanoantenas logran reducir
sustancialmente los costes del llamado balance of system, es decir, de toda la infraestructura
en la que se apoyan actualmente los módulos de silicio cristalino y los de capa fina. En este
17
18
http://www.technologyreview.com/es/read_article.aspx?id=1077
The Concentrated Photovoltaic Industry Report 2010, CPV Today, mayo de 2010.
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sentido, ya existen aplicaciones de nanoantenas que consisten en una mera impresión de
tinta. El universo de aplicaciones que esto puede tener en el futuro es, por tanto, ilimitado19.
En último término, valga destacar dentro de esta tercera generación fotovoltaica, el desarrollo
de células “multiunión”, un tipo de células que ya se comercializa y que consiste en la
superposición de distintos materiales de capa fina. Gracias a esta superposición, la radiación
solar es absorbida en varias fases, con lo que la eficiencia en la producción de electricidad
aumenta considerablemente, llegando a cerca de un 40%. Su alto coste no ha permitido aún
una mayor presencia en el mercado mundial20.
Pero la investigación y el desarrollo para la obtención de mayores rendimientos y reducción de
costes no se limitan exclusivamente a la tercera generación fotovoltaica y a las nuevas
invenciones. Constantemente se publican en la prensa informaciones sobre el esfuerzo que
realizan todos los sectores de la industria fotovoltaica para mejorar estas condiciones, que son
las que en un futuro próximo permitirán a esta tecnología energética limpia y renovable
alcanzar la paridad de red e, incluso, la paridad de mercado.
En el transcurso de la década que acaba de empezar, seremos testigos de una forma de
producción de electricidad solar, más barata y menos dañina que otras fuentes
convencionales, como las basadas en combustibles fósiles, y, por supuesto, mucho más barata
y menos peligrosa que la energía nuclear21.
Septiembre 2010
Bibliografía
- Informe ASIF 2010.
- Falk, A.; Dürschner, C.; Remmers, K. Fotovoltaica para profesionales. Solarpraxis. Berlín,
2006.
- Saurat, M.; Ritthoff, M. Appraisal of Laboratory Analyses Conducted on CdTe Photovoltaic
Modules. Agosto de 2010.
- Photon International, junio de 2010.
- The Concentrated Photovoltaic Industry Report 2010, CPV Today, mayo de 2010.
Sitios web
-
Bloomberg New Energy Finance: http://bnef.com
The Non Toxic Solar alliance: http://www.ntsa.eu
PV Cycle: http://www.pvcycle.org
First Solar: http://www.firstsolar.com
Photon International: http://www.photon-international.com
Nanosolar: http://www.nanosolar.com
Sunpower: http://www.sunpowercorp.es
Yingli: http://ir.yinglisolar.com
19
http://www.upi.com/Science_News/Resource-Wars/2010/07/21/Oregon-first-in-solarnanotechnology/UPI-62061279719012/
20
http://www.sfe-solar.com/ver_noticia.php?id=12
21
Ver el informe ¿La energía nuclear es barata?, en http://www.ecooo.es/138/ecooo-informes/Realmente-es-tan-barata-la-energ%C3%ADa-nuclear-/
5
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Legislación
- Directiva 2002/95/CE, de 27 de enero de 2003, sobre restricciones a la utilización de
determinadas sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos.
- Directiva 2002/96/CE, de 27 de enero de 2003, sobre residuos de aparatos eléctricos y
electrónicos.
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