Boletín IIE. Tecnología fotovoltaica. Tendencias tecnológicas

Transcripción

1 Tecnología fotovoltaica Jaime Agredano Díaz Introducción La conversión fotovoltaica (FV) es el proceso mediante el cual se convierte directamente la luz del sol en electricidad, por medio de celdas solares. El primer dispositivo FV fue demostrado por el físico francés Edmond Becquerel, en el año de En sus experimentos, Bequerel encontró que cuando ciertos materiales eran expuestos a la luz, producían una diferencia de potencial y al conectarlos con una carga externa se generaba una corriente eléctrica, a este fenómeno se le denominó el efecto fotovoltaico, sin embargo, el entendimiento, dominio y uso de dicho fenómeno, tuvo que esperar hasta que se dieran otros avances científicos y tecnológicos relacionados con la física cuántica y los semiconductores, durante el siglo XX. Las celdas FV, se fabrican con materiales semiconductores, los cuales actúan como aislantes a bajas temperaturas, pero también pueden ser conductores cuando son expuestos al calor o a la energía lumínica. Sobre materiales semiconductores utilizados en la fabricación de celdas FV se han publicado varios artículos donde se detalla su funcionamiento (Green, 1992 y Naville, 1978). La primera celda FV moderna se fabricó en 1941, con una eficiencia de conversión del 1%. La empresa americana Western Electric fue la primera en comercializar celdas FV en 1955 y las primeras aplicaciones prácticas de estos dispositivos se dieron en satélites artificiales, siendo una solución para la provisión de energía eléctrica por su alta relación de costo-peso. Además, en este tipo de aplicaciones el costo pasa a segundo plano respecto a otras características como disponibilidad y confiabilidad. El Vanguard 1 fue el primer satélite que utilizó un módulo fotovoltaico para alimentar un transmisor que consumía solamente 5 miliwats. Por otra parte, la utilización de módulos FV para aplicaciones terrestres se comenzó a dar a mediados de la década de los setenta (Lorenzo, 1994). El principal mercado de la tecnología fotovoltaica en nuestro país es el de los sistemas autónomos, utilizados principalmente para la electrificación de comunidades rurales apartadas y se estima que en el país han sido instalados cerca de 100 mil sistemas fotovoltaicos para este fin. En aplicaciones prácticas es necesario interconectar eléctricamente varias celdas en arreglos serie-paralelo, para constituir lo que se conoce como módulos fotovoltaicos, los cuales, agrupados en arreglos serie-paralelo constituyen los arreglos y un conjunto de arreglos conectados eléctricamente constituyen una planta fotovoltaica. Desde el punto de vista tecnológico existen varias opciones de materiales que presentan propiedades fotovoltaicas. La Fig. 1 muestra los materiales que han sido utilizados y/o que están en proceso de desarrollo para la fabricación de celdas fotovoltaicas. 58

2 abril-junio-08 Figura 1. Materiales utilizados para la fabricación de celdas fotovoltaicas. La tecnología más madura para la fabricación de celdas FV es la basada en silicio, el cual es el material más abundante en la tierra; sin embargo, requiere ser sometido a un proceso de refinación y crecimiento de grandes mono o policristales, que a su vez se cortan en obleas delgadas de 200 micras, las cuales son el material base en la fabricación de celdas FV. La refinación del silicio es costosa y altamente demandante de energía, de hecho, durante el proceso de cortado se desperdicia mucho material, que para ser reutilizado requiere reprocesamiento de alto costo. No obstante, hoy en día las celdas fotovoltaicas de silicio son las que dominan el mercado, contabilizando alrededor del 90% de los módulos que se fabrican en el mundo. En cuanto a eficiencias de conversión, la tecnología ha evolucionado de manera importante en los últimos 30 años. Por ejemplo, las celdas FV que se fabricaban a mediados de los setentas, tenían eficiencias de tan solo 1% (Lorenzo, 1994). La Fig. 2 muestra la evolución de las eficiencias de las celdas fotovoltaicas de laboratorio, probadas bajo condiciones controladas para diferentes tecnologías y materiales. También se observa que durante el año 2007, Spectrolab reportó eficiencias cercanas al 40%, con celdas de tecnología multi-unión a concentración (National Center for Photovoltaics, National Renewable Energy Laboratory). Figura 2. Evolución de las eficiencias de las celdas fotovoltaicas durante los últimos 32 años. 59

3 La tendencia actual en la fabricación de celdas fotovoltaicas es la nanotecnología, como una opción para obtener celdas más eficientes y más baratas. Recientemente, General Electric hizo el anuncio de la obtención de una celda FV de silicio de nanoalambres, con una eficiencia del 18% (Tsakalakos et al, 2007). Por su parte, los Laboratorios Nacionales de Energías Renovables (NREL) de los Estados Unidos, anunciaron en abril del mismo año la obtención de una celda de película delgada de Cobre-Indio-Selenio, en la cual reportan haber alcanzado una eficiencia de conversión de 19.9%. Más tarde, la empresa SunPower anunció en el mes de mayo la obtención de una celda de silicio de 161 cm 2, con una eficiencia del 23.4%. Aplicaciones de la tecnología fotovoltaica Las primeras aplicaciones terrestres de la tecnología fotovoltaica se dieron en productos de consumo (relojes, juguetes, calculadoras, etc.), los cuales para su funcionamiento, sólo requieren del suministro de algunos miliwats. Conforme las eficiencias de las celdas desarrolladas aumentaron y sus costos disminuyeron considerablemente, comenzaron a aplicarse como energización de dispositivos de señalización, control y monitoreo de procesos, así como para electrificación rural, siendo esta última el motor de la industria fotovoltaica en sus inicios. Cabe mencionar que aún sigue representando una aplicación potencial y real para países en vías de desarrollo, con un alto porcentaje de población rural. A finales de la década de los noventa, comenzó a darse otro tipo de aplicación que vino a revolucionar el mercado fotovoltaico mundial: se trata de los sistemas fotovoltaicos conectados a red. Este tipo de sistemas se conectan en paralelo a la red y su principal característica es que el usuario genera parcialmente la energía que consume, con las consecuentes ventajas técnicas y económicas, tanto para el usuario como para la empresa suministradora. Las figuras 3 y 4 muestran esquemáticamente los sistemas fotovoltaicos conectados a la red y los sistemas fotovoltaicos autónomos, respectivamente. La tabla 1 muestra los impactos y beneficios que aporta el uso de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica convencional. Figura 3. Esquema de un sistema fotovoltaico conectado a la red. Figura 4. Diagrama esquemático de un sistema fotovoltaico autónomo para electrificación rural. 60

4 abril-junio-08 Tabla 1. Impactos y beneficios de los sistemas FV conectados a red. Impactos En el sistema eléctrico Energéticos Beneficios Reducción de la demanda pico Alivio térmico al sistema de distribución Reducción de pérdida por transmisión y distribución Aplazamiento de inversiones Alivio en el sistema de distribución Seguridad energética Ahorro de combustibles fósiles Ambientales Desplazamiento de emisiones contaminantes (CO X, NO X ) Económicos Creación de industria local y empleos Otros Sustitución de materiales de construcción (cuando se integran a la envolvente de las construcciones) y barrera para el flujo de calor. En la presente década, el mercado fotovoltaico está dominado por grandes plantas FV centralizadas, lo que está propiciando una dinámica de crecimiento de la industria, pues en los últimos años se han alcanzado tasas anuales de crecimiento cercanas al 50%. Para tener una idea clara del crecimiento de las ventas de módulos FV en las últimas dos décadas es importante mencionar que en 1984, las ventas mundiales sólo alcanzaron los 25 MW, mientras que en el año 2007 se reportaron ventas del orden de los 2,700 MW, lo que representa un crecimiento de dos órdenes de magnitud. Figura 5. Evolución en el uso de los sistemas fotovoltaicos y potencia acumulada (sistemas aislados y conectados a red). La Fig. 5 muestra la evolución de las aplicaciones de los sistemas FV para el periodo de 1992 a El cambio que se observa en las aplicaciones (sistemas FV autónomos y conectados a red) ha sido motivado por los programas de promoción e incentivos que han implementado algunos gobiernos de países como Japón, Alemania, España y algunos estados de la Unión Americana. Entre las características de dichos programas se encuentran: el gran impulso al desarrollo y al liderazgo tecnológico de sus industrias, fomento a la creación de empleos, fomento al cuidado del medio ambiente y la búsqueda de alternativas energéticas que ayuden a disminuir la gran dependencia de energéticos foráneos. Entre los incentivos económicos que han propiciado la instalación masiva de los sistemas fotovoltaicos se pueden mencionar: el subsidio directo a la compra e instalación de los sistemas FV, tarifas preferenciales para la electricidad que se aporta a la red (que en algunos países llega a ser menos de 50 centavos de euro por kwh) y la medición neta. Esta última tiene la característica de que la electricidad que el usuario vierte a la red, se descuenta de la energía que el usuario demanda 61

5 de la empresa suministradora, en un esquema de 1 x 1. Durante la II Conferencia Internacional de las Inversiones Fotovoltaicas, la Asociación de Industrias Fotovoltaicas Europeas estimó que el mercado FV crecerá hasta los 11 mil MW para el año 2012, motivado por los programas que se desarrollan principalmente en Alemania, España y Estados Unidos ( Figura 6. Evolución de los precios al menudeo de los módulos fotovoltaicos. En cuanto a los precios de los módulos fotovoltaicos, éstos han experimentado una caída muy importante. La Fig. 6 muestra la evolución de los precios de lo módulos FV en el mercado europeo y estadounidense (en internet: Es notorio que los precios presentan una tendencia a la baja de 2001 a mediados de 2004, después de ese año los precios de los módulos registran una tendencia a la alza. Esta situación fue motivada por la escasez de silicio grado solar en el mercado, ya que su demanda sobrepasó la capacidad mundial de su producción. Este escenario ha comenzado a cambiar, pues durante los últimos años se han construido varias plantas productoras de silicio grado solar, para hacer frente a la gran demanda mundial, estimando que a finales de 2008, los precios de los módulos FV retomarán su tendencia a la baja como en el año En la producción de módulos y celdas fotovoltaicas, Japón ocupa el primer lugar, la Unión Europea el segundo y Estados Unidos, el tercero. Tendencias actuales Hoy en día existen alrededor del mundo más de 2 mil millones de personas que no cuentan con servicio eléctrico, para ellos la tecnología FV representa la opción técnica y económica para tenerlo. Por esta razón, las zonas rurales de países en vías de desarrollo representan un mercado real para esta tecnología. En las aplicaciones conectadas a red, Japón, Estados Unidos y algunos países europeos continúan incentivando la construcción de plantas fotovoltaicas de potencia y la instalación de sistemas FV en zonas habitacionales y edificios públicos, integrando dichos sistemas en los techos, así como en las edificaciones. Las primeras plantas fotovoltaicas de gran tamaño (i.e. mayores a 1 MW) comenzaron a instalarse a inicios de los ochentas, como la de Saijo en Japón, instalada en 1981 y cuya potencia es de 1.2 MW. Para 1995 existían en el mundo 5.2 MW de capacidad instalada en grandes plantas fotovoltaicas (i.e. mayores a 200kW); a finales de 2007 había una potencia instalada de más de 950 MWp en este tipo de instalaciones, localizándose más de 390 plantas en Alemania, 225 en Estados Unidos y 120 en España. El crecimiento de plantas de este tipo tiene un comportamiento exponencial, pues en 1995 se tenían registradas no más de una decena de plantas FV y para el año 2007 ya se tenían instaladas alrededor de 325. Con base en los números anteriores, se afirma que el mayor mercado actual para esta industria, lo representan las plantas fotovoltaicas centralizadas (en internet: La tabla 2 muestra información general de las plantas FV más grandes que han sido instaladas recientemente y que están en operación (Large Scale Photovoltaic Power Plants, 2007). Como se observa, en España se encuentran instaladas 7 de las 10 plantas más grandes del mundo, esto ha sido posible gracias a una serie de incentivos económicos del gobierno español, los cuales subsidian los costos de inversión y el precio que se paga por la energía generada. 62

6 abril-junio-08 Tabla 2. Características de las 10 plantas FV más grandes del mundo. País Ubicación Potencia MW Puesta en operación España Murcia España Calverón Alemania Brandis * 40* 2007 España Cáceres España Alicante Corea SinAn USA Nevada España Salamanca España Murcia España Navarra En el año 2006 se anunció la construcción de las dos plantas más grandes del mundo en cuanto a potencia instalada: la primera se encuentra en la planta de Brandis, Alemania y tiene una potencia de 40 MW; la segunda se instalará en Portugal y tendrá al término de su construcción, una capacidad de 62 MW. Para finales de abril de 2008 ya han entrado en operación 16.1 MW de la planta de Brandis. Actualmente se realizan esfuerzos dentro del Acuerdo de Implementación sobre Sistemas Fotovoltaicos de la Agencia Internacional de Energía (AIE), para determinar la viabilidad económica y técnica para la construcción de grandes plantas FV (i.e. en la escala de Gigawats), las cuales se planea ubicar en grandes desiertos como Gobi, en Asia Central; Sahara, en el Norte de África; el área desértica del centro de Australia, y el desierto de Sonora, que comparten México y Estados Unidos (Kosuke, 2007). La situación en México Las actividades en nuestro país relacionadas con la tecnología fotovoltaica (FV) se iniciaron a mediados de los setentas. En la década siguiente, el Centro de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (IPN) construyó una planta piloto para fabricar módulos fotovoltaicos de silicio cristalino, con una capacidad de producción de 15kW por año. El principal mercado de la tecnología fotovoltaica en nuestro país es el de los sistemas autónomos, utilizados principalmente para la electrificación de comunidades rurales apartadas y se estima que en el país han sido instalados cerca de 100 mil sistemas fotovoltaicos para este fin. Otra aplicación importante que se le ha dado es en la energizacion de estaciones de retransmisoras de telecomunicaciones, telesecundarias y clínicas rurales. En 2001, el Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) de la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA), inició un programa al término del cual se instalaron más de 2 mil bombas fotovoltaicas para el apoyo de productores agropecuarios. Por su parte, Petróleos Mexicanos (PEMEX) ha utilizado ampliamente los sistemas fotovoltaicos para proporcionar energía eléctrica en los sistemas de monitoreo y control de plataformas no habitadas (Matsumoto et al, 2007). En 1997 se realizaron las primeras aplicaciones fotovoltaicas conectadas a red, por parte del Área de Energías No Convencionales del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Posteriormente se llevaron a cabo proyectos piloto en las ciudades de Mexicali, Baja California y Hermosillo, Sonora. En el año 2005, el Área de Energías No Convencionales del IIE apoyó al gobierno de Baja California, en la especificación de los sistemas FV con una potencia de 1 kwp, en 220 casas habitación, instalados en la ciudad de Mexicali. Actualmente, en el país operan 3 plantas maquiladoras donde se ensamblan módulos fotovoltaicos de diferentes tecnologías, destinados al mercado de exportación. Una planta ensambladora de módulos FV que tendrá una capacidad de fabricación de 15 MW/ año, inició operaciones a finales de 2007, en el estado de Veracruz. Además, en junio de 2008 se anunció la construcción de un complejo industrial en la ciudad de Mexicali, donde se producirán módulos FV de película delgada y la de una planta FV de 70 MW, para satisfacer parcialmente los requerimientos de energía eléctrica de la ciudad. La potencia fotovoltaica instalada y acumulada en México hasta finales de 2007 se estima en 20.8 MW (Agencia Internacional de Energía, 2007). 63

7 Referencias S. Wenham, M.A. Green, M.E. Watt, R. Corkish, Applied Photovoltaics, Second Edition, ISBN: X, M. Green, A Solar Cells Operating Principles Tecnology and system applications, University NSW, Australia, R. Naville, Solar Energy Conversion: The Solar Cell, Amsterdam, E. Lorenzo, Electricidad Solar, Ingeniería de los Sistemas Fotovoltaicos ISBN: , L. Tsakalakos, J. Balch, J. Fronheiser, and B. A. Korevaar, Silicon nanowire solar cells, Appl. Phys. Lett. 91, ; DOI: / , En internet: Large Scale Photovoltaic Power Plants, Annual Report 2007, Revised Edition, April, 2008; K. Kurokawa, Energy from the Desert Feasibility of Very Large Scale Photovoltaic Power Generation (VLS-PV) Systems, Y. Matsumoto; J Agredano, A. Sánchez, Awakening PV in México, Technical Digest of the International PVSEC-17, Japan, December International Energy Agency, PVPS Annual Report 2007, JAIME AGREDANO DÍAZ [agredano@iie.org.mx] Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), en junio de Desde julio de 1984 es investigador y jefe de proyecto del Instituto de Investigaciones Eléctricas en el Área de Energías No Convencionales. De 1984 a 1990 participó en proyectos de aprovechamiento de energía solar térmica. Ha brindado asesoría a gobiernos estatales y municipales de la Unidad de Electrificación Rural de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y al Instituto Nacional Indigenista para la implementación de Programas de Electrificación Rural Fotovoltaica. Ha sido miembro de redes temáticas relacionadas con la utilización de la energía solar fotovoltaica, del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED). Se desempeña como instructor de cursos de capacitación sobre electrificación rural fotovoltaica auspiciados por CYTED en varios países latinoamericanos. Durante 1986 fue visitante profesional en el Renewable Energy Research Institute (NREL), en Golden, Colorado, Estados Unidos. Es representante de México ante el Acuerdo de implementación sobre sistemas fotovoltaicos de la Agencia Internacional de Energía. Es coautor de artículos relacionados con electrificación rural y sistemas fotovoltaicos. 64