La energía fotovoltaica
en el 2014
Por
Daniel Stolik Novygrod*
Contexto y proyecciones
en los ámbitos nacional
e internacional |
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El desarrollo de la energía fotovoltaica (FV) ha sido espectacular. La paridad FV (cuando el costo de la electricidad FV se hace igual o menor a la generada por combustibles fósiles) se va convirtiendo en la generalidad por países, a pesar de que lamentablemente no se tienen en cuenta los daños ambientales en el cálculo de costos de la generación eléctrica en base a combustibles fósiles.
Ventajas de la FV
Es renovable, disponible en todo el planeta, instantánea —de radiación solar a electricidad, sin partes móviles—, modular, se aplica desde en un reloj, un techo y hasta 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, participa en la generación de hidrógeno combustible, posee los menores costos de operación y mantenimiento, versátil, es silenciosa y con poco riesgo tecnológico y ante desastres. La energía solar que llega a la superficie terrestre es unas 10 000 veces mayor que la que se consume en todo el planeta, y la generación eléctrica FV posee la mayor densidad energética media global, unos 170 W/m2 de todas las fuentes renovables de energía (FRE). Además, se están desarrollando programas de reciclaje para que después de su vida útil (25-30 años) se recupere económicamente una parte importante de la inversión inicial.
Desventajas de la FV
Su eficiencia original era baja, pero en realidad ha ido y seguirá aumentando, y hoy no es el problema principal. Su costo era muy alto, pero ha ido y continuará disminuyendo. La generación FV es intermitente (solo diurna), un aspecto real que limita la penetración FV (potencia máxima de inyectar a la red manteniendo la estabilidad en tensión y frecuencia). Sin embargo, también ha ido aumentando ya sea por acumulación eléctrica como en los sistemas remotos, alcanzando correspondencia de la carga con la radiación mediante la acumulación natural, haciendo más «inteligente» la gestión de la red eléctrica, entre otros factores.
Escenario FV mundial
Se caracteriza por un ambiente mundial propicio para las FRE. Aumento descomunal de la producción mundial FV. Fuerte disminución de los costos FV. Predominio en más
de 99 % de la FV conectada a la red eléctrica. Logro de la paridad del costo del kWh FV con el de la red convencional. Gran desarrollo tecnológico industrial automatizado. Consolidación del liderazgo mundial FV de China. Predominio industrial de las celdas FV de silicio cristalino (Si-c). Escaso mercado e instalaciones FV en América Latina y Cuba.
Componentes del sistema solar FV
Consta de celdas solares, módulo o panel, que es una combinación de celdas conectadas en serie y en paralelo (arreglo de celdas) que se encapsulan, fundamentalmente con láminas de EVA (etilvinil acetato) por ambos lados, vidrio frontal, lámina de Tedlar (marca registrada de Dupont) posterior al EVA, marco de aluminio, contactos eléctricos y los sellantes. Más de 90 % de las celdas y módulos que se producen son de Si-c, más multicristalino que monocristalino.
El SFV final consta de otros elementos para su instalación y funcionamiento, que se conocen en el argot FV del inglés como BOS (Base of System) y que denominaremos resto del sistema, tales como el inversor que convierte la corriente directa en alterna, movimiento de tierra, cableado, montaje de estructuras metálicas soportes en techos y cubiertas, diseño, operación y mantenimiento, y depreciación, entre otros gastos.
Producción mundial FV
La tabla 1 muestra los momentos en que la producción FV se ha ido multiplicando diez veces, a partir del primer megawatt (MW) obtenido en 1978.
Tabla 1
Producción mundial de FV

En el 2014 la producción fue de cerca de 50 000 MW FV. Ninguna tecnología energética ha crecido a tal ritmo. Entre 2001 y 2012 se produjo un crecimiento exponencial de la producción de energía FV, duplicándose aproximadamente cada dos años, y ello ha sido tan rápido que de ahora en adelante para doblar las producciones tendrá que suceder en un número superior de años.
Productores mundiales de celdas y módulos
Hoy el líder mundial de celdas solares es China, con más de 60 % de la producción mundial. En la tabla 2 se muestran los principales productores de celdas FV en 2013 y 2014.
Tabla 2
Principales productores de celdas FV en 2013 y 2014
Empresa País Lugar en 2013 Lugar en 2014

Costo de los módulos FV
El costo de producción del módulo FV en el 1er trimestre del 2011 era de aproximadamente 1,20 USD/W; ya en el tercer trimestre de 2013 las empresas líderes lograban un costo del orden de 0,50 USD/W. Empresas chinas como Jinko, Trina, Yingli
y Rene Solar plantean costos de producción del módulo de Si-c de 0,36 USD/Wp para finales del 2017. En la tabla 3 se muestra la disminución de los precios de venta de los módulos FV.
Tabla 3
Comportamiento de los precios de los módulos PV

Tabla 4
Aumento de las instalaciones FV anuales a nivel mundial

El resto del sistema FV (BOS)
El costo de módulo FV hace 20 años podría constituir más de 75 % del costo del SFV; hoy está por debajo de 35 %, por lo que los elementos del BOS, o sea, del resto del sistema FV, conformado por inversores, estructuras metálicas, cableados, obra civil y diseños, han aumentado su costo relativo, aunque absolutamente también han disminuido, pero en una progresión menor que la de los módulos. El costo depende del país donde se instala; por ejemplo, hoy en Alemania es cerca de la mitad del costo en EE.UU.
Los costos de módulos y BOS son los iniciales en la instalación; además, hay que añadir por un lado los costos posteriores de por vida, como operación y mantenimiento (O-M), salarios y depreciación. Por otro lado, hay que tener en cuenta los costos financieros, como de capital, intereses, créditos y tasas de descuento (estos últimos se han ido convirtiendo en el principal factor de los costos de los SFV, sobre todo cuando las negociaciones de financiamiento FV no se realizan prudentemente).
Instalación mundial FV
La instalación mundial se ha concentrado en los países de Europa, y en los próximos años será en China, Japón y Estados Unidos. Los países de América Latina y el Caribe, no obstante una activación en el 2014, muestran una bajísima cantidad de instalaciones FV a pesar de poseer una mayor y mejor distribuida radiación de energía solar. En la tabla 4 se muestra el impresionante aumento de las instalaciones FV anuales a nivel mundial en términos de GW, o sea, en miles de MW.
Durante 2011 y 2012, en Europa las instalaciones FV superaron a las de energía eólica, y en el 2013, mundialmente la FV superó ligeramente a la eólica. La potencia total acumulada de instalaciones FV en el mundo ascendía a 9,4 GW en 2007, 15,8 GW en 2008, 23 GW en 2009, 40 GW en 2010, 70 GW en 2011 y 102 GW en 2012; a finales de 2013 se habían instalado en todo el mundo cerca de 140 GW y 185 GW en el 2014. En el 2001 había 1,7 GW FV instalados en el mundo, por lo que entre 2001 y 2014 se produjo un notable incremento de 40 % anual de las instalaciones FV.
China tenía instalado más de 19 MW en el 2000, y pasó a 32 000 en 2014, o sea, creció 1864 veces en dicho periodo, convirtiendo a la FV en una de las mayores industrias del país, que cuenta con más de 400 empresas FV. La previsión para 2020 en China es de unos 100 GW. Fuentes del gobierno chino, al igual que el plan Sunshot de EE.UU., afirman que la FV presentará precios más competitivos que el carbón y el gas (aportando una mayor independencia energética) a finales de esta década (Tabla 5).
La FV en Cuba
Hasta el 2012, en Cuba las instalaciones FV sumaban en total menos de 3 MW, en unos 9000 SFV de baja potencia, casi todas remotas no conectadas a red en lugares aislados donde no llega la red eléctrica (escuelas, consultorios, casas y centros de cultura, con una gran repercusión social). Pero el motor impulsor del desarrollo mundial FV descrito ha sido la FV conectada a red, por lo que es la vertiente que puede significativamente dar su aporte para la disminución de la quema de combustible fósil para la generación eléctrica, y que tribute paulatinamente a una independencia electroenergética junto con las otras FRE. En el 2013 se dio un buen salto
al instalarse unos 10 MW en parques FV conectados a red, tendencia que debe ir aumentando en los próximos años
de acuerdo con la política y planes aprobados por el país en relación con las FRE.
Instalaciones FV por regiones en 2014
Las regiones con más radiación solar no son las que necesariamente poseen un mayor desarrollo de instalaciones FV. El comportamiento de los aproximadamente 184 000 MW instalados en todo el mundo a finales del 2014, era el siguiente: Medio Oriente 610 MW, África 820 MW, América Latina y el Caribe tenían a finales del 2013 algo más de 200 MW instalados y la región pasó a 840 MW en 2014 (Chile pasó de 7 a 402 MW en el último año).
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Tabla 5
Países con más instalaciones FV acumuladas en 2014

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Pero nótese a continuación el cambio en las instalaciones FV: Oceanía 5300 MW
(la inmensa mayoría en Australia), EE.UU. y Canadá 20 300 MW, Asia 67 500 MW
y Europa 88 500 MW.
Tabla 6
Costos del kWh fósil

Costo de producción del kWh fósil en Cuba
El costo del kWh fósil en Cuba difiere en dependencia del combustible empleado: gas y crudo cubanos, fuel oil importado y diésel. De conocerse el contenido calórico en términos de kWh de un barril de combustible fósil (1586 kWh/barril, aproximadamente), el costo del barril y su eficiencia de conversión en electricidad, entonces se puede calcular el costo del kWh al respecto, pero sería exclusivamente debido a la propia «quema» del combustible. En la tabla 6 se expresan, como ejemplos, los costos en centavos USD por kWh, de acuerdo con dos eficiencias termoeléctricas (30 y 35 %) y varios costos del barril de combustible en USD. Al costo expresado solo por la quema del combustible hay que agregar los costos y gastos por inversión inicial, transporte, almacenamiento, pérdidas en generación y en transmisión-distribución, operación y mantenimiento, accidentes y escapes, inversiones periódicas por modernización, paros y gastos por roturas y reparaciones, paros por ahorro de «combustibles», costos de capital, contaminación, asesorías, salarios, y daños al medio ambiente, imprevistos, etc. (Fig. 1).

Fig. 1. Al costo del kWh expresado solo por la quema
de un combustible fósil, hay que
agregar
otros muchos costos y gastos.
Es determinante que solamente si se conoce correctamente el costo del kWh por combustible fósil, se puede precisar la diferencia del costo del kWh FV y el fósil, así como también en cuántos años se recupera la inversión FV por el costo del combustible fósil evitado.
Costo de producción del kWh FV en Cuba
El costo del kWh FV se calcula dividiendo el costo total del sistema FV entre los kWh que genera dicho sistema FV durante su vida útil. El costo total incluye el de la inversión inicial más los gastos en que se incurren durante los años de funcionamiento del SFV. El costo inicial es mucho mayor que el posterior de operación, mantenimiento, depreciación y salarios, pero el costo del kWh por financiamientos de costos de capital (intereses y tasas de descuento) es altamente sensible al aumento de los porcentajes de los intereses a pagar.
Para calcular los kWh que genera dicho SFV es necesario conocer la potencia promedio diaria de un SFV, que depende de la potencia de la radiación solar promedio del lugar (que cambia en función de la geografía) y de la eficiencia del módulo FV en cuestión.
Este cálculo se simplifica, por un lado, con la introducción del parámetro «potencia pico» (Wp) del módulo, que no es más que la potencia eléctrica producida y medida a la salida del módulo FV cuando incide perpendicularmente en su entrada una potencia equivalente solar de 1000 W por m2 (1 kW/m2) y, por el otro lado, del número de horas promedio que genera el módulo durante su vida útil.
Por ejemplo, en Cuba la generación solar promedio que se recibe durante un año es de unas 1820 horas de un kW por m2, o sea, un promedio de unas 5 horas diarias de un kW/m2. Debido a las pérdidas originadas por distintos factores se hace necesario disminuir dicho número de horas.
Para la radiación solar de Cuba, se calcula que un SFV debe generar como promedio aproximadamente unas 1360 horas al año, que constituyen unas 34 000 horas durante
25 años. Por ejemplo, si un conjunto de módulos FV suman 5000 W (5 kWp), entonces, los kWh que genera durante su vida útil son:
5000 Wp x 34 000 h = 170 000 kWh
Si suponemos que el costo total, o sea, inicial + posterior + costos de capital (intereses) de 1 kW FV es de 3060 USD (relativamente alto en la actualidad), entonces al dividir el costo total (insistimos que tiene en cuenta los de financiamiento de capital) el kWh tendría un costo de 9 centavos de USD.
El costo del kWh fósil en base a fuel oil y diésel debe superar los 0,20 USD, pero para cualquier otra variante de cálculo la diferencia con el kWh FV es sustancial.
Tiempo de recuperación de las instalaciones FV
El costo C del kWp FV (USD/kWp), dividido por los kWh que genera 1 kWp FV al año (kWh/(kWp x año) y también dividido por el costo de 1 kWh fósil (USD/kWh), nos da el número de años en que se recupera la inversión por costo evitado de combustible fósil.
C (USD/kWp) / [kWh
(kWp x año)] x (USD/kWh)
Por ejemplo, si tenemos:
a. El costo total del kWp FV es de 3060 USD/kWp.
b. El número de kWh que genera 1 kWp FV al año es de 1360 kWh/(kWp x año).
c. El costo de 1 kWh fósil es de 0,21 (USD/kWh).
Entonces, el número de años en que se recupera lainversión debido al costo evitado de combustible fósil será de unos 10 años.
Con el transcurso del tiempo el costo FV seguirá disminuyendo y el del fósil aumentando; por ejemplo, si somos capaces de que para el 2020 el costo FV total en Cuba esté en unos 1600 USD (que actualmente se logra en China) y el del fósil en 0,30 de USD el kWh (menor que el costo actual en México), entonces dicha recuperación de la inversión debido al costo evitado de combustible fósil sería de unos 4 años.
Hacia un programa FV en Cuba
Junto con las oportunidades que ofrece la FV para Cuba en términos de menores costos del kWh, aumento paulatino de la soberanía electroenergética, incremento de la industrialización del país, entre otros aspectos positivos, coexisten elementos que representan retos para lograr un desarrollo más audaz de la energía FV en Cuba, como el mayor grado de penetración FV a alcanzar, los financiamientos posibles de las inversiones y la estrategia a largo plazo para lograr un programa con metas superiores (Figs. 2 y 3).

Fig. 2. Equipos de conectividad
del parque fotovoltaico de Cienfuegos.

Fig. 3. Vista panorámica del parque fotovoltaico
instalado en la provincia de Cienfuegos.
Financiamientos
La electricidad basada en los fósiles tiene el peso mayor en el propio costo de los combustibles, que continúa aumentando. La FV se concentra en la inversión inicial, que continuará disminuyendo, donde el «combustible» es gratis y los gastos de operación y mantenimiento son menores. Ante la ausencia de recursos financieros necesarios para afrontar el costo de las inversiones iniciales, se hace imprescindible abordar variantes de financiamientos factibles. El tema es complejo, en las negociaciones los intereses por costo de capital pueden encarecer por varios centavos de USD el kWh.
Sin la intención de cubrir todos los elementos de esta problemática de economía energética de las FRE, se brindan algunas ideas que tributen a una reflexión que puede seguir fertilizándose por un estudio económico más profundo que tienda a garantizar un mejor financiamiento de un programa FV. La mayoría de estas decisiones corresponden a la alta dirección del país:
• Realizar alianzas productivas en celdas, módulos e inversores con empresas FV líderes, que aporten una parte sustancial del financiamiento inicial, con riesgos menores compartidos y recuperación de parte de las inversiones mediante las exportaciones y las aplicaciones nacionales. Consideramos que la mejor alternativa es con China, más buscar sinergias productivas con otros países de la región. La zona del Mariel es una posibilidad factible.
• Invertir en la FV solo un pequeñísimo porcentaje de la subvención anual en divisas dedicada a la cuantiosa compra de combustible fósil para la generación eléctrica.
• Invertir en la FV un pequeño porcentaje de las ganancias por combustible fósil evitado, o por las ganancias que esta reporta a la exportación de petróleo ahorrado.
• La compra en mayores volúmenes abarata el precio de los distintos componentes FV. Además, aunque es un aspecto difícil de salvar, se debe tener en cuenta en la medida de lo posible que las compras al contado abaratan grandemente los productos FV. Los créditos en divisas originan pagos de intereses que encarecen notablemente el kWh.
• Impulsar en mayor medida el desarrollo de instalaciones FV del «lado del cliente», tanto en techos, cubiertas y suelos, ya que el cliente (sobre todo el industrial y el comercial), participa en el financiamiento de sus instalaciones.
• Legislar y promover incentivos para instalaciones FV con «el lado del cliente», ya sea por «feed in-tariff» (pago por kWh inyectado); «net metering» (balance neto con reloj bidireccional) o «Power Purchase Agreement» (contrato de compra venta); esta última es altamente recomendable para mayores instalaciones de potencia FV.
• Hacer mutuamente atractivo compartir el financiamiento de las inversiones iniciales FV con clientes altos consumidores eléctricos solventes (empresas, fábricas, regiones, cooperativas), sobre todo a partir de la tarifa eléctrica de 5,00 CUP/kWh para consumos >5000 kWh al mes. Gran oportunidad para muchos consumidores del lado del cliente.
• Promover instalaciones FV conectadas a red, en formas mutuamente atractivas para compartir los financiamientos de las inversiones iniciales FV con clientes altos consumidores eléctricos que pagan la electricidad en CUC o MLC a >0,23 CUC/kWh. Teniendo en cuenta que con esa tarifa disminuya la alta subvención eléctrica del país por el Estado cubano.
• Reinvertir ganancias anuales y costos evitados de combustibles en divisas que se obtengan por cualquier actividad FV, en el aumento de la capacidad productiva FV, al aumento de las instalaciones nacionales y de posibles exportaciones, que tributen al autofinanciamiento del programa FV.
• Establecer requisitos para incluir en grandes nuevas inversiones, la instalación de SFV conectados a red, como hoteles, centros turísticos, frigoríficos, fábricas, acueductos y comercios.
Estrategia a mediano y largo plazos
La estrategia de desarrollo depende del mencionado grado de penetración FV que seamos capaces de instrumentar en la red eléctrica nacional, por lo que además de aspectos tecnológicos que analizamos más profundamente en otros trabajos, la estrategia debe cumplir con ciertas premisas: estimular la cultura productiva FV, escalar la producción de módulos ensamblados en Pinar del Río hasta un máximo siempre que sea competitiva, destacar la importancia del aporte eléctrico de la FV, hacer más atractivas las alianzas mixtas con países líderes, nunca recomenzar de nuevo en cero, lograr un desarrollo consolidado y ascendente, continuar el desarrollo de empresas FV creadas, aprovechar la disminución de los costos FV en el tiempo, aumentar el empleo por la vía de la rama FV, descentralizar las instalaciones FV (cooperativas, otros), tributar grandemente al desarrollo industrial y agropecuario del país, potenciar la presencia FV de Cuba en organizaciones de América Latina y el Caribe, contribuir a la exportación material y de servicios, continuar perfeccionando toda una estructura lograda, aspirar a una economía de escala en la FV y tender paulatinamente a la disminución del costo del kWh FV en <0,06, USD hacia el 2020.
A la altura del 2030 la FV pudiera tener un monto de sus instalaciones de unos 2000 MW (menos de lo que tienen hoy países como República Checa, Bélgica o Grecia), con un aporte
* Doctor en Ciencias y Profesor Titular de la Facultad de Física y el Instituto de Materiales y Reactivos (IMRE), de la Universidad de La Habana, Cuba.
e-mail: dstolik@fisica.uh.cu
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