Cien preguntas
y respuestas sobre
la energía fotovoltaica (I)


Por
Daniel Stolik Novygrod*

En pos de un Programa Nacional Fotovoltaico (En el próximo número de Energía y tú
se publicará la segunda parte
de este artículo)

 


I. Generalidades

1. ¿En qué consiste la energía fotovoltaica (FV)?
Convierte la energía del Sol en electricidad; es la más eléctrica de todas las fuentes renovables, solo da electricidad.

2. ¿Choca con otras fuentes renovables de energía?
No. Todo lo contrario, se complementan unas a otras.

3. ¿Qué cantidad de energía solar llega a la superficie terrestre?
Actualmente, los 89 picowatt que llegan del Sol son unas 6 000 veces más de los 15 terawatt que como promedio se consumen en electricidad mundial, o sea, en una hora y media llega aproximadamente una cantidad de energía similar a la electricidad mundial que consume todo el planeta durante un año.

4. ¿Cómo se distribuye el recurso solar en el planeta?
Es la más distribuida de las fuentes; todo el planeta cuenta con radiación solar, desde 800 kWh/m2 hasta más de 2 400 kWh/m2 al año.

5. ¿Con qué radiación solar cuenta Cuba?
Como promedio, unos 1 825 kWh/m2 al año, pero teniendo en cuenta pérdidas de distintos tipos, para los cálculos siguientes tomamos el valor promedio de 1 400 kWh/m2.

6. ¿Qué son la radiación solar directa y la difusa?
La directa llega en línea recta del Sol al sistema FV, y la difusa proviene de radiaciones secundarias (dispersión) que llegan no directamente del Sol.

7. ¿Qué ventajas tiene la energía FV?
Es renovable, disponible en todo el planeta, instantánea (de radiación solar a electricidad), sin partes móviles, modular; se aplica desde a un reloj, o un techo, hasta a una gran planta FV; genera desde fracciones de W hasta cientos de MW; se traslada fácilmente; se instala rápidamente; utiliza poca agua; continúa abaratándose; es almacenable; genera hidrógeno combustible al pasar la corriente por el agua; posee los costos más bajos de operación y mantenimiento; es versátil, silenciosa y con bajo riesgo tecnológico ante los desastres.

8. ¿Qué es la modularidad FV?
La posibilidad de ir añadiendo nuevos módulos al sistema, desde valores pequeños a mayores, con la fácil adición o sustracción de partes del sistema.

9. ¿Qué representa la energía FV para el medio ambiente?
Es de las más benignas; un sistema FV instalado no contamina ni contribuye al calentamiento global.

10. ¿Qué desventajas tiene la energía FV?
Se plantean tres: 1. Baja eficiencia, la que ha ido y seguirá aumentando, y ya hoy no es el problema principal. 2. Costos, que también han ido y continuarán descendiendo, como veremos. 3. Intermitencia (generación solo diurna), aspecto real que necesita acumulación eléctrica, como en los sistemas remotos, o hacer corresponder la carga con la radiación, o mediante la acumulación natural.

11. ¿Por qué se acusa a la FV de ser subvencionada?
Todas las fuentes de energía eléctrica (fósil, nuclear, renovable), nacieron y continúan recibiendo fuertes subvenciones estatales; por ejemplo, la subvención «fósil» en EE.UU. es de unos 70 mil millones de USD al año. La FV no es la excepción, pero seguramente será una de las primeras en no necesitarla.

12. ¿Qué papel desempeñan los incentivos FV?
La subvención, en términos de inversión para desarrollar la FV, constituye una importante vertiente; por ejemplo, el pago de una tarifa por kWh privilegiada al cliente por la inyección a la red a partir del sistema que montó el propio cliente, con o sin ayuda financiera estatal.

13. ¿Cómo afrontar la intermitencia de la FV?
De diferentes maneras: desarrollando nuevos y mayores sistemas de acumulación, tema actual de intensas investigaciones; aplicar en consumidores de energía diurna, como en frigoríficos y climatización; fomentar industrias de horario diurno (correspondencia carga-radiación); realizar todo el bombeo de agua y su elevación preferentemente por el día (acumulación natural), y aprovechar la energía eléctrica diurna del Sol para el desarrollo productivo del país.

14. ¿En qué consiste la correspondencia carga-radiación?
En el caso de los frigoríficos, a más calor ambiental más consumo de energía, y por la noche los compresores conectados a la red consumen menos; en climatización es marcada esta diferencia, y en el caso de las industrias habría que analizar las que cumplen con la posibilidad de trabajar de día, o que los equipos de mayor consumo trabajen en las horas de mayor radiación solar.

15. ¿En qué consiste la acumulación natural FV?
Uno de los mayores consumos de energía eléctrica del país es el bombeo y trasvase de agua, actividad que se puede realizar preferentemente de día; otro ejemplo similar es la elevación y acumulación de agua para tanques de azoteas en edificios de ciudad, o para el riego agrícola, el que posteriormente se puede realizar por gravedad a cualquier hora.

16. ¿Es el área un problema para la FV?
Definitivamente, no; por ejemplo, el consumo actual eléctrico total de Cuba durante un año es de unos 16 000 GWh. De producir por energía FV 25% de esa electricidad, se necesitarían alrededor de 19 km2, de los 110 mil que tiene el archipiélago, distribuidos por todo el país en techos de casas, edificios, hoteles, fábricas, lugares que necesitan sombra, zonas áridas no aptas para la agricultura, los laterales de carreteras, etcétera.

17. ¿Cuál el escenario general mundial actual para la FV?
Ambiente propicio, aumento de la producción mundial, disminución sostenida de los costos, gran aumento de la demanda, la oferta ha crecido más rápido aún en los dos últimos años, comienzo de la paridad (competitividad económica) en regiones de más sol, gran desarrollo tecnológico industrial automatizado, consolidación del liderazgo mundial FV de China, continuación del predominio industrial de las celdas de silicio, y escaso desarrollo en América Latina (incluye a Cuba).

18. ¿Existe una matriz del desarrollo de las fuentes renovables de energía (FRE) para la producción de electricidad en Cuba?
Todavía no; el desarrollo de programas de corto, mediano y largo plazos por cada una de las FRE (la FV una de ellas), propiciaría dicha estrategia.


II. El sistema FV

19. ¿Cuáles son las partes que conforman un sistema FV en base Si-c?
1. Silicio grado solar (Si sog). 2. Oblea (wafer). 3. Celda solar. 4. Módulo (panel). 5. Inversores. 6. Estructuras (soportes). 7. Ingeniería y montaje. 8. Otros.

20. ¿Qué es el silicio grado solar (Si sog)?
El método preponderante es a partir del cuarzo o la arena sílice (óxido de silicio); en arco eléctrico se obtiene el silicio metálico con aproximadamente 98% de pureza, el que al mezclarse con HCl se convierte en tetracloruro de silicio líquido, para poder purificarlo en columnas de destilación hasta de 99,999999% de pureza (para los dispositivos microelectrónicos se necesitan purezas unas mil veces mayores), después se deposita en forma sólida en reactores de CVD (deposición química al vapor) y por último se crecen los lingotes mono (por Czocralski), o policristalinos (CAST).

21. ¿Es el silicio una fuente agotable?
Básicamente, no; constituye 26% de la corteza del planeta, y no habrá guerras por la tenencia de silicio, ya que prácticamente todo el mundo lo tiene en abundancia.

22. ¿Cuánto cuesta el Si sog?
Hasta el 2000, procedía de los desechos de silicio puro de la industria microelectrónica que se vendían muy baratos por ser chatarra; al aumentar la demanda, esta posibilidad no dio abasto y hubo que comenzar a producir el Si sog. En el decenio anterior fue aumentando su precio hasta llegar a más de 300 USD/kg en el 2008, y en marzo de 2011 disminuyó a unos 100 USD/kg. Hoy exhibe valores menores de 30 USD/kg. El costo bajó sustancialmente debido a la disminución del gasto eléctrico en su producción, el aumento de la producción, la gran cantidad de nuevas instalaciones y el aseguramiento del notable incremento de su demanda. El precio de venta (que incluye ganancias) se ha estabilizado, pero debe continuar bajando más lentamente, para situarse, según pronósticos, entre 0,20 y $0,25/kg, lo que se reflejará en mayor disminución del costo del Wp (watt-pico) FV.

23. ¿Qué es la oblea (wafer)?
Las obleas (wafers) se obtienen a partir del corte de los lingotes de silicio (Si-c) en partes más pequeñas, y al final en obleas delgadas. La tecnología de corte está desarrollada a partir de multihilos abrasivos, que cada vez adquieren espesores más finos, y que antes eran > 0,3 mm. En estos momentos los líderes tecnológicos logran industrialmente espesores de 0,16 mm, y < 0,1 mm a nivel experimental en los laboratorios. La tendencia industrial en los próximos años es continuar disminuyendo hasta menos de 0,1 mm, lo que constituye otro elemento que también seguirá reflejándose en la disminución del costo del Wp.

24. ¿Cuánto cuesta la oblea?
El porcentaje del costo que aporta este paso al costo total del sistema FV ya instalado, es actualmente menor de $0,19/W, pero continúa disminuyendo y tiende a ser < $0,10/W.
La cantidad de Si-c que se necesita para hacer un Wp, ha disminuido de unos 13 g
en la década de los noventas, a 7 g en la actualidad, con la tendencia a pesar menos
de 5 g/Wp en los próximos años.

   

25. ¿Qué es una celda solar FV?
Es un dispositivo electrónico consistente en una especie de diodo gigante (mientras mayor sea el área, mejor; todo lo contrario de los dispositivos MOS microelectrónicas: mientras más pequeño, mejor). Una oblea de 10 x 10 cm se convierte en una sola celda FV, la cual puede contener cientos de chips microprocesadores con cientos de millones de transistores equivalentes.

26. ¿Cuántos tipos de celdas existen o se desarrollan?
1. Silicio monocristalino. 2. Silicio multicristalino (poli). 3. Telurio de cadmio (CdTe).
4. Silicio amorfo (Si:a). 5. Cobre, indio, selenio (Cu, In, Se, Ga, o CIS). 6. Cinta de silicio.
7. Arseniuro de galio (As Ga), más otros compuestos (celdas de multijunturas). 8. Dye (coloreadas). 9. Orgánicas. 10. Nano. 11. Cuasimono silicio (de reciente aplicación).

27. ¿Qué tipos de celdas predominan comercialmente?
Aproximadamente: silicio mono 33%, silicio multi (poli) 52%, CdTe 6%, Si:a 5%, CIS 2%, cinta Si 1%; el resto, menos de 1%.

28. ¿Cuáles son las eficiencias de las celdas?
Hace unos 60 años no llegaba a 1%. Hoy las más eficientes de AsGa más otros elementos en celdas multijunturas de laboratorio, sobrepasan 40%, y la mayoría de las industriales en base a silicio tienen actualmente entre 15 y 20% de eficiencia, y continúan aumentando para situarse en un futuro próximo en 23%.

29. ¿Es hoy baja la eficiencia de las celdas FV?
Prácticamente todas las fuentes de energía en el planeta (FV, termosolar, eólica, hidro, fósiles, mareomotriz; excepto la nuclear), provienen del Sol; se diferencian por el tiempo de acumulación de la energía, en el caso de las fósiles es un proceso de acumulación lentísima de cientos de miles y millones de años, que estamos consumiendo en pocos cientos de años (por ello no son renovables). De todas estas fuentes, la eficiencia con menos tiempo de acumulación es la FV, ya que es instantánea.

30. ¿Es la eficiencia el mayor problema de la celda FV?
No, realmente el mayor problema ha sido el monto de la inversión inicial, que ha ido y continúa disminuyendo sostenidamente; el componente que menos disminuye es el montaje por parte de los instaladores, pero esto en Cuba sería en gran parte en moneda nacional. 31. ¿Cuánto cuesta la celda solar?

El costo por Wp del procesamiento industrial de la celda solar de silicio cristalino (no incluye el costo de las obleas), continúa disminuyendo debido al aumento de la eficiencia de las celdas, la automatización y la optimización fabril. La producción de la celda solar es uno de los aspectos tecnológicos de la cadena de producción en que se ha avanzado más. Los líderes logran costos de producción < $0,18/Wp; los que no logren estos costos de producción tendrán que salir del mercado. En lo adelante, la disminución del costo del Wp por este concepto específico de fabricar la celda, será menor que las disminuciones que se producirán a cuenta de futuros costos del Si sog y a la obtención de los wafers (obleas vírgenes).

32. ¿Qué es un módulo FV?
Es el arreglo de varias decenas de celdas solares que se encapsulan para darle larga vida, se conectan en serie y en paralelo para dar voltajes y corrientes eléctricas específicas, según la carga externa.

33. ¿Cuáles son los componentes de un módulo FV?
Las celdas solares, cintas de estaño que conectan las celdas entre sí, láminas de EVA (etilvinil acetato) transparente, por ambos lados del arreglo, lámina de tedlar (marca registrada DuPont) por debajo, vidrio plano de alta transparencia por arriba, marco soporte de aluminio por debajo, sellantes polimétricos; todo se sella en un proceso con cierta temperatura.

34. ¿Cuánto cuesta el módulo FV?
Ha sido notable la disminución de los precios del Wp de los módulos FV (incluye los costos parciales de Si sog + wafer + celda + módulo), tendencia que continuará. Este factor muy favorable, al mismo tiempo impone un reto a la producción nacional de módulos. Hoy es factible la compra al contado de módulos (paneles) FV a $1,00/Wp, por lo que las producciones nacionales tienen que, y pueden, ser hoy de costos menores y continuar disminuyendo en un futuro cercano en que se pronostican precios de compra-venta aún menores. En un futuro, la producción de Cuba puede contribuir a disminuciones mayores de parte de los insumos que lleva el módulo; por ejemplo, los marcos de aluminio, el vidrio plano templado de alta transparencia y las celdas.

35. ¿Con qué parámetro fundamental se comercializan los módulos?
Costo; o sea, dólar, euro, etcétera, por Wpico (Wp).

36. ¿Qué es el Wp?
La potencia eléctrica generada que se mide en condiciones de laboratorio a la salida del módulo, cuando se ilumina a 25 °C con un sol artificial que posee una potencia de radiación de 1 000 W/m2 y un espectro de frecuencia similar al del Sol.

37. ¿Qué es el inversor?
Un dispositivo electrónico de potencia que convierte la corriente directa generada por el módulo (panel) FV, en corriente alterna; ofrece un gran número de prestaciones «inteligentes» sobre la base del «hard» y el «soft» incorporado, que automatiza los procesos involucrados en alto grado.

   

38. ¿Cuánto cuesta el inversor?
Los costos de los inversores dependen de su potencia, y fluctúan entre $0,20 y > $0,70 Wp. La empresa líder en calidad es la SMA, de Alemania. Los componentes (hard) de un inversor constituyen su parte más barata ($0,15/Wp para SMA y menos de $ 0,08/Wp en otras empresas). La tendencia es a disminuir sus costos sobre la base de producirlos con el hard mínimo necesario, y obtener la excelencia mediante el software incorporado. Los pronósticos indican que paulatinamente el precio de venta seguirá bajando en un futuro hasta menos de $0,15/Wp para distintas potencias. Si el hard se compra barato y el desarrollo del software es la parte de mayor valor agregado, se hace evidente que una producción futura nacional de inversores es atractiva y factible.


III. Aplicaciones e instalaciones

39. ¿Dónde se pueden instalar los módulos FV?
Prácticamente en cualquier lugar; en autos, camiones, embarcaciones, aviones en función del transporte, en techos de casas pequeñas, edificios, cubiertas de fábricas, en áreas de variada extensión, etc. Sobre todo, ahí donde no compita con la producción de alimentos.

40. ¿Qué es la ingeniería y el montaje?
Comprende el diseño del sistema, las conexiones eléctricas de los módulos con el inversor y controladores de carga, la instalación de los soportes de las estructuras metálicas y el montaje de todos estos elementos.

41. ¿Cuánto cuesta el montaje?
Los instaladores bajan sus precios más lentamente que otras partes del sistema, por lo que internacionalmente como promedio puede constituir entre 10 y 20% del costo total de la instalación de todo el sistema, en un amplio espectro de costos y precios, desde $0,15 hasta más de $0,60/Wp. Se prevé que en el futuro su costo tenderá a ser < $0,10/Wp. En Cuba se puede producir cualquier diseño de perfil de aluminio o acero para las instalaciones FV. Ello, unido a la cantidad de aluminio y acero recuperados como materia prima, es otro elemento para disminuir aún más los costos del Wp del sistema FV producido en Cuba.

42. ¿Qué son «otros costos»?
Constituyen alrededor de 15% del costo total del sistema FV; lo componen distintos elementos como los costos de sistemas de protección, cableados complementarios, bases de hormigón, transportación, gastos de operación y mantenimiento, herramientas, movimiento de tierra, salarios, estimulaciones; cada uno es pequeño por sí mismo, y son los más bajos en comparación con el resto de las fuentes generadoras de electricidad, y aunque una gran parte es en moneda nacional, también hay que tenerlos en cuenta.

43. ¿Cuánto cuesta un sistema FV instalado?
Fluctúa mucho. Los costos parciales más bajos, debido a las mejores prácticas productivas de cada elemento constitutivo del sistema FV, lo ostentan distintas empresas productoras, que sumadas, en un ejercicio formal, permiten logar un increíble costo final (sin ganancia) del sistema FV instalado < $1,50/Wp, que se comercializa a precios menores de > $3,00/Wp, con una buena parte en ganancias. Por otro lado, los costos y precios más altos corresponden a empresas que están tratando de disminuir sus costos para no salir del mercado. Para la producción mundial del 2011, la ganancia en toda la cadena de producción FV fue > 20 mil millones de dólares. Lamentablemente, ello demuestra que, mundialmente, la energía FV no es la excepción del resto de las fuentes de generación eléctrica, en el sentido de comportarse más como «negocio», que como «necesidad»; eso implica que hay que actuar con inteligencia y aprovechar las oportunidades y características nacionales para no «pagar» por cosas que no hay que pagar. Por ejemplo, la componente del sistema completo ya instalado, que no ha disminuido prácticamente nada, corresponde a lo que cobran las empresas instaladoras.

44. ¿Cuáles son las grandes vertientes de aplicaciones FV?
Son genéricamente dos: uno en sistemas aislados-remotos, donde no llega la red eléctrica, y el otro el conectado a red.

   

45. ¿Cuáles son las diversas aplicaciones remotas de la FV?
Bombeo de agua, viviendas, escuelas, consultorios médicos, iluminación, carga de baterías, refrigeración, cercas eléctricas, teléfonos de emergencia, estaciones meteorológicas, puntos de guardabosques, purificación de agua, protección catódica, unidades de guardafronteras, apoyo a la navegación (boyas, faros), indicadores de nivel (agua), accionamiento de válvulas, medición de flujo gaseoso, transmisores, repetidoras de microonda, pizarra de señales, telecomunicaciones, mediciones remotas, interruptores de red eléctrica, señalización y monitoreo (calidad del agua), entre otras.

46. ¿Qué tipo de instalaciones han sido el motor impulsor de la FV?
Las aplicaciones conectadas a red se igualaron a la remota en 1999, cuando aún la producción mundial era poca; posteriormente, gracias a la conectada a red, la producción aumentó notablemente beneficiando al mismo tiempo el monto de las remotas. Hoy, el porcentaje dedicado a la conectada a red es aproximadamente de 99%.

47. ¿Dónde se deben instalar los sistemas FV conectados a red?
Lo más cerca posible del cliente, para disminuir el costo por cableados y, sobre todo, las pérdidas por transmisión-distribución.

48. ¿Qué alternativas existen para la conexión FV a red?
Se puede formalmente dividir en dos grandes vertientes. La primera, cuando todo se basa en inversiones de la propia empresa eléctrica para inyectar todo a red; esta variante se puede subdividir en dos, cuando es generación puramente FV, o con sistemas híbridos junto a otros tipos de generación, como eólica, diésel, petróleo. La segunda gran vertiente es la conexión a red conectada desde la demanda del cliente.

49. ¿En qué consiste la conexión FV a red de un «cliente»?
En compartir, entre la empresa encargada del servicio eléctrico y los clientes, el financiamiento y la atención del sistema en particular, en distintas variantes y contribuciones de la inversión, de acuerdo con normas legales establecidas, como por ejemplo, el pago por la empresa eléctrica del kWh suministrado.

50. ¿Qué obstáculos existen para la conexión FV a red de un «cliente»?
Desechar la incorporación estratégica de esta importante opción, la ausencia de marco legal para realizarla, la falta de conocimientos por parte de clientes solventes para incorporarse a esta variante, la no presencia de tarifas eléctricas diferenciadas, entre otros aspectos objetivos, aunque muchos son subjetivos.

51. ¿Cuánto cuesta la operación y el mantenimiento FV?
Son los costos más bajos entre las fuentes de generación eléctrica, renovable, fósil o nuclear.

52. ¿Cuál es la confiabilidad del sistema FV?
El elemento más adverso es el «apagón», ya que automáticamente el sistema FV se desconecta de la red. La confiabilidad también depende de la calidad de los materiales y dispositivos utilizados; por ejemplo, un módulo de Si-C debe durar unos 25 años, pero si el encapsulamiento no es bueno, ya sea por los materiales utilizados o por un proceso defectuoso, entonces ese tiempo puede disminuir drásticamente; otro tanto puede pasar con el inversor o los controladores de carga. El CIPEL tiene a su cargo realizar un análisis más profesional al respecto en este asunto.

53. ¿Qué es el sistema FV con seguimiento?
Sistema que sigue la orientación del Sol automáticamente; el rayo solar incide perpendicularmente al módulo. Introduce partes mecánicas con movimiento en el sistema.

54. ¿Qué es el sistema FV con concentración?
Se utilizan lentes (convencionales o de Fresnel) para concentrar la radiación solar de un área mayor a otra menor donde se encuentra ubicada la celda solar. La concentración puede llegar a varios cientos de soles. No todos los tipos de celdas funcionan en estas condiciones; es en las celdas de As Ga donde más se utiliza.

55. ¿Dónde es recomendable el seguimiento y la concentración FV?
Donde la radiación solar es preponderantemente directa, ya que cuando la difusa es una componente importante, al provenir la misma de distintas partes (no perpendiculares) se pierde el foco que origina la lente en la celda.

56. ¿Qué es la generación eléctrica distribuida?
Cuando la electricidad procede de un mayor número de centros de generación de distintas potencias; por ejemplo, desde un mayor número de plantas más pequeñas, como los grupos electrógenos, hasta la inyección FV desde numerosos e inclusive miles de techos. La introducción de las FRE para la generación eléctrica conectada a red exige la concepción de la generación eléctrica distribuida.

57. ¿Qué son y cuán grande pueden ser los parques o plantas solares FV?
Los parques o plantas FV son las instalaciones mayores de esta tecnología conectadas a red, compuestas por miles de módulos; han ido creciendo paulatinamente en potencia, proceso que continúa. Las más grandes hoy tienen por lo general varias decenas de MW; la mayor es de 200 MW, y seis de las que están en construcción están entre 200 y más de 500 MW. Para ganar cultura propia de plantas FV en un país, es recomendable comenzar por parques pequeños.

58. ¿Por qué son importantes para las FRE las redes inteligentes?
La introducción de las fuentes renovables de energía para la generación eléctrica conectada a red, exige primariamente la generación eléctrica distribuida. La inyección a red se puede producir en principio desde cientos, miles, cientos de miles, inclusive millones de sitios distintos en los extremos de la red eléctrica, por lo que la automatización de las infraestructuras diseminadas se torna compleja, al igual que la operación y el despacho del servicio eléctrico.

* Doctor en Ciencias y Profesor Titular de la Facultad de Física y el Instituto de Materiales y Reactivos (IMRE), Universidad de La Habana, Cuba.
e-mail: dstolik@fisica.uh.cu