Durante el año 2022, se la incrementado significativamente la aceptación social de la necesidad de una transición energética, impulsada principalmente por los episodios de crisis energética que se han estado viviendo en Europa por el incremento de los costos de energía.
La coyuntura actual representa una gran oportunidad para acelerar la implementación de las energías renovables, ya que los países buscan reducir su dependencia a los combustibles fósiles, y también cumplir las metas trazadas en cuanto a la reducción de gases de efecto invernadero.
En ese sentido, una de las tecnologías de generación estrella para superar estas deficiencias es la Energía Solar Fotovoltaica (FV) una energía económica, de fácil instalación, modular, ambiental y estéticamente favorable.
Estas características la sitúan entre las opciones con mayor potencial, al haber logrado el segundo mayor crecimiento en energía generada durante el año 2021, y habiéndose convertido en la opción para generación de energía más barata en casi todo el mundo, según datos de la Agencia Internacional de Energía (IEA).
Conceptos de energía solar fotovoltaica
La conversión de energía solar a energía eléctrica se lleva a cabo a través de un dispositivo fotovoltaico o célula fotovoltaica que convierte la radiación solar en electricidad, mediante un proceso conocido como el “Efecto Fotoeléctrico”.
Posteriormente, una gran cantidad de estas celdas son conectadas entre sí en serie o en paralelo para que a través de un inversor, transformadores y sistemas de control puedan proveer energía eléctrica a la red para el consumo masivo.
Una célula fotovoltaica representa la unidad más pequeña de un sistema de potencia capaz de producir electricidad a través de la irradiación solar. En general las células fotovoltaicas pueden ser clasificadas en mono y multi cristalina, capa fina (Thin Film) u orgánica.
Actualmente la producción de las células fotovoltaicas está por encima del 95% en tecnologías basadas en Silicio.
Las tecnologías de capa fina (Thin Film) cuenta con materiales utilizados como el Telururo de Cadmio (CdTe) y Cobre Indio (Galio) Diselenuro (CIGS and CIS).
Las células fotovoltaicas de película delgada u Orgánicas utilizan semiconductores orgánicos como la capa que es capaz de transformar la energía solar en eléctrica.
Usos de la energía solar fotovoltaica
Como vimos anteriormente, las celdas fotovoltaicas son la unidad más pequeña de un sistema solar fotovoltaico. La agrupación de varias celdas se denomina panel solar, y consiste de 60 a 120 células conectadas entre sí, llegando a potencias de 350 W a 600 W, según las últimas tendencias en la industria.
Estas características y diseño modular permiten a la energía solar fotovoltaica tener un rango amplio de aplicaciones, el cual estará sujeto al número de paneles solares que se agrupa en un sistema y a la resultante potencia instalada.
Clasificando según los centros de consumo de electricidad, se puede mencionar los siguientes usos de la energía solar fotovoltaica:
1. Residencial
El uso residencial de la energía solar fotovoltaica consiste en la instalación de paneles solares FV en los tejados de las viviendas residenciales o en otros espacios con una exposición adecuada a los rayos del sol. Su capacidad instalada dependerá del tamaño de la vivienda, y usualmente está en el rango de 2 a 10 kW.
De acuerdo a la capacidad del sistema solar fotovoltaico instalado, la energía eléctrica generada puede ser utilizada para autoconsumo, reduciendo parcialmente la electricidad consumida desde la red eléctrica. Si a esto se suma un sistema de almacenamiento con baterías, se puede lograr la independencia total de la red eléctrica, lo que se denomina operación aislada de la red.
Por último, si el sistema dispone de convertidores bidireccionales, es decir de equipos que permiten el flujo de electricidad en dos sentidos, se puede inyectar el excedente de energía eléctrica producida por el sistema solar fotovoltaico que no es consumida por la residencia, hacia la red eléctrica.
2. Comercial/Industrial
Los comercios o industrias también tienen la posibilidad de beneficiarse del uso de la energía solar
fotovoltaica, mediante la instalación de paneles solares en distintos lugares al aire libre de sus instalaciones, como ser áreas de parqueo, los tejados de galpones o edificaciones, etc.
La capacidad instalada dependerá mucho del tipo de comercio o industria, pudiendo estar en el rango desde 10 kW para instalaciones pequeñas, hasta 1 MW o más para industrias con procesos de alta demanda de electricidad.
Esto les permite reducir el consumo de energía de la red eléctrica y, en muchos casos, reducir los costos de operación al obtener energía eléctrica de una fuente más económica. También pueden lograr reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero, lo cual es de mucho interés para empresas que tienen metas de reducción de impacto ambiental o que participan en el mercado de bonos de carbono.
3. Gran escala
Las centrales de energía solar fotovoltaica a gran escala son aquellas que están conectadas directamente a la red eléctrica con el propósito de la generación y venta de energía a todo el sistema. Generalmente, se consideran de gran escala aquellas centrales con capacidad instalada desde 1 MW, y sin un límite superior, existiendo en la actualidad varias centrales que superan los 2 GW.
Este tipo de centrales a gran escala, operando de forma conjunta con centrales de generación eléctrica a partir de otras fuentes de energía, son las responsables de suministrar la electricidad consumida en todas las redes eléctricas que existen en distintos países.
Dentro de la energía solar fotovoltaica, las centrales a gran escala son las que han logrado los costos de energía generada más bajos, principalmente por efectos de economía de escala.
Últimos desarrollos e innovación en energía solar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica tiene el potencial de ser la principal fuente de energía eléctrica en el mediano y largo plazo, gracias a sus costos de energía cada vez menores, la amplia disponibilidad del recurso solar, y su flexibilidad para aplicación en distintos ámbitos. Esta situación ha facilitado que la Academia y los fabricantes se dediquen mucho a la investigación y desarrollo de nuevas soluciones en el área de la energía solar fotovoltaica.
1. Módulos fotovoltaicos bifaciales
Se trata de uno de los últimos avances en tecnología fotovoltaica, y consiste de módulos fotovoltaicos bifaciales que tienen la capacidad de captar la luz en ambos lados del panel solar fotovoltaico.
Esto permite utilizar la luz que se refleja en el suelo debajo de los módulos, logrando un aumento de la producción de energía hasta un máximo del 15% con estructura fija, y posiblemente hasta un 30-35% con un sistema de un solo eje.
En ese sentido, al presentar tales incrementos de producción, los módulos bifaciales tienen una ventaja competitiva creciente a pesar de los costos generales de instalación más altos. De hecho, los proyectos competitivos recientes en áreas desérticas impulsaron la confianza del mercado en el rendimiento fotovoltaico bifacial y las líneas de producción se están moviendo cada vez más hacia los módulos bifaciales.
Estos sistemas bifaciales han ganado terreno en el 2021 y se espera que adquieran cuotas de mercado cada vez mayores en los próximos años para aplicaciones en proyectos a gran escala.
2. Celdas solares de perovskita
La perovskita es una familia de materiales que gracias a su estructura cristalina, poseen potencial para la fabricación de celdas solares de alta eficiencia y bajo costo. Su estudio como material para celdas solares empezó el año 2009, y ha logrado rápidos incrementos en eficiencia y reducción de costos.
Entre sus principales ventajas se encuentra un costo de producción menor que los paneles de silicio, ya que el proceso de fabricación es más sencillo. Así mismo, los paneles resultantes son más livianos, abaratando el costo de las estructuras de soporte.
Como principales desafíos de las celdas solares de perovskita, se encuentra la vida útil de las mismas, y es un campo en el que aún se deben lograr importantes avances para considerarla como una tecnología que reemplazará al silicio.
Las primeras celdas de perovskita tenían una vida útil de unas pocas horas o días, y actualmente se tiene desarrollos que logran algunos meses de vida útil; sin embargo los paneles de silicio tienen una vida útil de por lo menos 20 años.
Entre los últimos desarrollos, el NREL ha logrado recientemente desarrollar celdas de perovskita con una eficiencia del 24%, muy próxima a las eficiencias más altas de los paneles de silicio, y que mantienen el 87% de su capacidad por 100 días.
3. Paneles solares flotantes
Este tipo de instalación consiste en paneles solares fotovoltaicos que están montados en una estructura que flota sobre un cuerpo de agua, el cual usualmente es un lago natural o artificial.
Las principales ventajas de instalar paneles solares en estructuras flotantes son las siguientes:
● Reducción de ocupación de terrenos.
● Mejora en el enfriamiento de los paneles fotovoltaicos
y su temperatura de operación.
● Reducción de evaporación de agua. Esto las convierte muy atractivas para empresas de suministro de agua.
Como plantas solares flotantes destacadas, podemos mencionar la planta Dezhou Dingzhouang en China, que con una potencia instalada de 320 MW es actualmente la planta de este tipo más grande en el mundo; y a la central solar flotante de Alqueva, en Portugal, con 4 MW de potencia instalada y actualmente la más grande de Europa.
4. Vidrio fotovoltaico
El vidrio fotovoltaico se trata de una de las últimas innovaciones en integración de sistemas fotovoltaicos en edificios, y consiste en utilizar paneles fotovoltaicos para la generación de energía eléctrica y también como material envolvente de los edificios, sirviendo propósitos como ser protección del clima, aislamiento térmico y de ruido.
Esto es posible mediante el uso de celdas fotovoltaicas de silicio amorfo a-Si, que pueden permitir parcialmente el paso de la luz y lograr distintos grados de transparencia. Para aplicaciones en las que se busca paneles opacos, se utilizan paneles de silicio cristalino. La regla general es que a mayor transparencia, menor es la energía que estos paneles pueden generar.
Como ejemplo de una industria líder en el mercado, se encuentra Onyx Solar, con una amplia gama de productos de vidrio fotovoltaico que se ajustan a las altas exigencias de estética y funcionalidad para la construcción de edificaciones.
La energía solar fotovoltaica a nivel mundial
De acuerdo a IEA para fines de 2021, la capacidad instalada fotovoltaica global representaba 945,4 GW de instalaciones fotovoltaicas acumuladas.
Se estima que solo China cuenta con una potencia instalada acumulada de 300 GW y el segundo país con mayor instalación acumulada de generación fotovoltaica es USA con alrededor de 120 GW.
Por otra parte, en solo pocos años, Australia ha alcanzado el más alto índice de capacidad de Solar PV instalada por habitante con 1011 W/cap. El segundo país con mayor capacidad instalada per cápita es Países Bajos con 818 W/cap y el siguiente es Alemania con 718 W/cap.
Los países que han presentado un crecimiento interesante en capacidad instalada fotovoltaica en el año 2021, pero que no están entre los cinco con mayor capacidad a nivel mundial son: Australia con 4,9 GW, Korea con 4.2 GW, Chile con 2,7 GW y Vietnam con 2 GW. La ubicación de estos países y la cantidad de recurso solar que disponen los hacen en candidatos potenciales para el desarrollo de esta tecnología.
La energía solar fotovoltaica experimentó entre el 2021 y el 2022 un notable crecimiento impulsado principalmente por proyectos a gran escala que continuaron desarrollándose rápidamente tanto en mercados establecidos como en países que aparecieron recientemente en el mapa de desarrollo fotovoltaico.
Aunque no se debe subestimar el papel de la generación distribuida, es probable que la energía fotovoltaica a gran escala siga dominando la generación de electricidad en muchos países.
En resumen
La generación de energía eléctrica a través del aprovechamiento del recurso solar mediante paneles fotovoltaicos es claramente la más aceptada entre las energías renovables por todas las ventajas que se presentan por la naturaleza de esta tecnología.
Actualmente se tiene una predominancia para la utilización de células fotovoltaicas compuestas por Silicio. No obstante, se continúa la investigación de otras alternativas como las células fotovoltaicas de Perovskita, Telururo de Cadmio u otras orgánicas, las cuales prometen mayores valores de eficiencia y menores costos de producción.
A nivel global, el crecimiento de la energía solar fotovoltaica para el año 2021 fue más de 170 GW instalados, de los cuales China fue el más importante con 55 GW y seguidamente la Unión Europea con alrededor de 28 GW.
Estas cifras y tendencias que presentan los organismos de seguimiento al sector fotovoltaico nos indican que la generación fotovoltaica continuará siendo la tecnología de generación eléctrica renovable más importante en los próximos 30 años, y que también se dará un crecimiento de esta tecnología en generación distribuida.