Energía Solar Fotovoltaica: orígenes, desarrollo y actualidad

15 ene 2016
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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica. Universidad Complutense de Madrid, miembro de econoNuestra

En un artículo reciente publicado en este blog, describí los fundamentos científicos y tecnológicos de las células solares, dispositivos mediante los que se obtiene la energía solar fotovoltaica. En este haré un breve repaso al origen histórico y el desarrollo posterior de esta clase de energía y revisaré su estado actual en el mundo y en España.

1. Primeros pasos y desarrollo de la energía solar fotovoltaica

El descubrimiento del efecto fotovoltaico, base de funcionamiento de las células solares, se remonta al siglo XIX, cuando H. Becquerel lo describió en 1839, aunque la explicación precisa del mismo se demoró cerca de un siglo, hasta el advenimiento de la física cuántica a comienzos del siglo XX [1].

Las células solares fueron una rara curiosidad científica durante mucho tiempo. Hubo que esperar hasta 1954 para que se fabricara la primera célula solar de silicio, a manos de los científicos D.M. Chapin, C.S. Fuller y G.L. Pearson de los laboratorios Bell Telephone (EEUU). Tras su presentación pública, el diario The New York Times, en su número de 26 de abril de 1954 hizo el siguiente comentario sobre la invención de la célula solar: “Puede marcar el comienzo de una nueva era, permitiendo de la realización de uno de los sueños más queridos por la humanidad: el aprovechamiento de la energía ilimitada del sol para los usos de la civilización”.

pearson fuller chapin
G. L. Pearson (izquierda), D. M. Chapin (centro) y C. S. Fuller (derecha). Derecha: Cuaderno de laboratorio de Fuller, describiendo los fundamentos de la célula solar fabricada en los Laboratorios Bell.

Un año más tarde ciertas industrias, impulsadas por el comienzo del programa espacial estadounidense, recibieron el encargo de producir células solares para aplicaciones espaciales. La empresa Hoffman Electronic fue la primera en fabricar estos dispositivos comercialmente, aunque con una eficiencia de conversión muy baja, de sólo el 3%.

En 1958 se lanzó al espacio el satélite Vanguard-I, primero que utilizó células solares como fuente de energía y que estaría operativo durante 8 años. Se muestra en la imagen:

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Satélite Vanguard-I, cuyo tamaño era similar al de una pelota de fútbol. Las flechas señalan la ubicación de las células solares que suministraban la energía del satélite.

En los satélites artificiales y en los vehículos tripulados con los que el hombre llegó a la luna en 1969, se necesitaban baterías de energía eléctrica autónomas, ligeras y fiables y las células solares reunían todos estos requisitos. Aunque la electricidad obtenida con estos dispositivos era carísima (del orden de 100 €/kWh, con precios actualizados al momento presente), el coste que representaban las baterías fabricadas con las células solares era muy bajo en comparación con el resto de los componentes de los vehículos espaciales.

La tecnología de las células solares se impulsó enormemente gracias a la industria microelectrónica, de la que tomó buena parte de sus procesos de fabricación. Gracias a ello, en muy pocos años se obtuvieron dispositivos con eficiencias de conversión de energía solar en eléctrica del 15%. El desarrollo en el ámbito espacial prosiguió durante la década de los 60 y 70. En 1973 la primera estación espacial estadounidense, el Skylab, tenía instalados 20 kW de potencia en paneles fotovoltaicos. El año 1975 fue el primero en que las aplicaciones espaciales fueron superadas por las terrestres, principalmente faros y pequeñas plantas de producción de carácter experimental.

Desde ese año, que puede considerarse como el del despegue definitivo de esta fuente de energía, su desarrollo en el mundo ha atravesado tres fases claramente diferenciadas, que se muestran en la siguiente gráfica donde se detallan los valores de potencia de plantas de energía solar instalada en el mundo, comparados con la potencia total instalada proveniente de todas las demás fuentes de energía. Se muestra la evolución desde 1970 hasta 2010 y distingue tres fases, que se detallan en el siguiente párrafo:

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Potencia eléctrica instalada en el mundo en billones de vatios (TW; 1 TW = 1.000.000.000.000) en función del año. La escala vertical es logarítmica. Fuente: Massachussets Institute of Technology

Fase I: 1975-1985. Las sucesivas crisis del petróleo de los años 1973 (guerra del Yom Kipur) y 1979 (revolución de Irán) hicieron tomar conciencia a los principales países industrializados de la necesidad de buscar fuentes de energía alternativas al petróleo, debido a los bruscos incrementos del precio del crudo (entre 1973 y 1979, el precio del barril se multiplicó por seis). Simultáneamente, la conciencia ecológica se fue extendiendo por todo el planeta y se comenzó a plantear la necesidad de limitar las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, principalmente CO2. Por estas razones, en Estados Unidos comenzaron los programas de estímulo a las energías no basadas en combustibles fósiles, incentivados por la administración Carter. En esos años se instalaron los primeros huertos solares experimentales, de tamaño muy reducido (decenas de kW).

Fase II: 1985-1995. Tras las sucesivas crisis del petróleo, los precios del barril se redujeron significativamente y se estabilizaron en valores similares a los momentos pre-crisis, lo que hizo descender el interés y las ayudas estatales e incentivos a las energías renovables. Durante este período, las principales actividades de I+D en dispositivos fotovoltaicos corrieron a cargo de grandes empresas petroleras, siendo British Petroleum una de las más representativas. No obstante, en buen número de laboratorios de investigación se siguió mejorando la tecnología de fabricación de las células solares, superándose un año tras otro las eficiencias de conversión.

Fase III: 1995-Actualidad. El uso de energías renovables se ha ido extendiendo paulatinamente en el mundo en general y en los países desarrollados en particular. A comienzos del siglo XXI, numerosos países, como Alemania, España, Italia, Estados Unidos y otros comenzaron a incentivar intensamente el uso de esta fuente de energía mediante el pago de primas por la electricidad producida. Simultáneamente, los fabricantes de paneles fotovoltaicos pasaron del ámbito de las compañías petroleras y de las industrias electrónicas a ser fabricantes específicos. En la actualidad los primeros puestos del ranking mundial de fabricantes de células solares lo ocupan empresas asiáticas, con China a la cabeza (Yingli, Hanwha, Trina) y alguna norteamericana (Canadian Solar Industries, First Solar). Los fabricantes europeos, que tuvieron un papel muy destacado en el origen y el desarrollo de la tecnología fotovoltaica a comienzos del presente siglo, (Q-cells, Isofoton), han desaparecido o han sido absorbidos por los grandes fabricantes asiáticos, que han establecido unas políticas de precios con las que es prácticamente imposible competir.

En los últimos años, la potencia fotovoltaica instalada acumulada en todo el mundo no ha dejado de crecer un año tras otro, como muestra la figura. Los valores mostrados en la gráfica son una prueba de que la apuesta por esta fuente de energía es imparable y alcanza a todo el planeta:

PV en el mundo

Potencia fotovoltaica instalada acumulada en el mundo. Datos expresados en Gigawatios (GW; 1 GW = 1.000.000.000 W). Fuente: Photovoltaic Report 2015. Fraunhofer Institut ISE

2. Desarrollo y estancamiento de la energía fotovoltaica en España

En el caso concreto de nuestro país, desde el año 2007 se hizo una apuesta firme por esta energía, mediante diversos decretos que establecieron primas a los productores de energía fotovoltaica, pero el sistema de retribuciones establecidas en 2007 estuvo mal diseñado, ya que no puso límites a la capacidad instalada, lo que provocó el boom de instalaciones del año 2008 y todo el desaguisado y el caos regulatorio que vino con posterioridad. La evolución de la potencia instalada en España se muestra en la siguiente gráfica:

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Evolución de la potencia solar fotovoltaica instalada y acumulada en España, expresada en MW (1 MW = 1.000.000 W). Se aprecia el boom del año 2008 y el freno en nuevas instalaciones desde el año 2012 (en 2014 se instalaron 22 MW). Fuente: Informe Anual 2015. Unión Española Fotovoltaica.

Desde la llegada del Partido Popular al gobierno en 2011, se han sucedido toda una serie de normas destinadas a cortar de manera retroactiva las primas a las energías renovables, lo que ha provocado la ruina de numerosos pequeños inversores que apostaron en su día por esta fuente de energía.

Independientemente del freno actual, el futuro de la energía pasará necesariamente por el desarrollo de la energía solar fotovoltaica, especialmente en un país como el nuestro, que goza de una privilegiada posición geográfica con elevados niveles de irradiación durante la mayor parte del año en la práctica totalidad del territorio, lo que hace que sea especialmente atractiva de cara a abaratar los costes de la energía producida.

__________
[1] La explicación científica del efecto fotovoltaico la realizó Albert Einstein en 1905, razón por la que obtuvo en 1921 el premio Nobel de física. Porqué tardó tanto en obtener ese premio es una historia poco conocida. Remito al lector interesado a este artículo para indagar en la cuestión.


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