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En busca de la célula solar del futuro

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Artículos El País de 23 de marzo de 2005, publica en su sección de “Futuro”, un interesante artículo sobre nuevas técnicas en células fotovoltaicas, que Crisis Energética ha decidido, en vista de su interés público, trasladar a sus lectores, con algunos comentarios del editor. Los comentarios de Crisis Energética se intercalan entre el texto, en cursiva y en negrita, para situarlos en el contexto. REPORTAJE MÓNICA G. SALOMONE - Madrid

El programa europeo Fullspectrum explora posibilidades para aprovechar mejor la luz del sol.

La comunidad científica internacional se esfuerza por dar con un nuevo tipo de célula solar capaz de revolucionar el mercado energético en las próximas décadas. Si lo logra, los cálculos más optimistas estiman que hacia mediados de siglo la energía solar fotovoltaica proporcionará el 30% de toda la electricidad consumida en el mundo.

Pongamos las cosas en contexto. La electricidad que se generó en el mundo en 2003 fue de 16.663 TWh. Si seguimos las previsiones de crecimiento de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), a mediados de este siglo que comienza, deberíamos estar consumiendo al menos el doble de electricidad que en la actualidad; esto serían, la menos, unos 30.000 TWh en cifras redondas.

Eso equivale a tener instaladas y en producción, plantas de generación eléctrica, con factor de carga del 95%, por unos 3,5 TW. Esto son unas tres mil centrales nucleares como la de Almaraz I (o la II), de las de cerca de 1 GW.

Los optimistas, al decir de la periodista, pretenden generar un tercio de esta energía de forma solar fotovoltaica. Eso supone que tendrían que tener instalado, para generación fotovoltaica, al menos 1 TW equivalente, con factor de carga cercano al 100%, como el de las centrales nucleares

Pero dado que las células producen sólo cuando hay sol, su factor de carga viene a ser, como mucho, de un 20%. Así pues, habría que tener instalados paneles por el equivalente de, al menos, 5 TW y unos sistemas de acumulación y generación, en base a la acumulación de energía (para poder disponer de ella durante los momentos en que no se genera o se genera menos), también de algunos TW, salvo que se piense que otros sistemas de generación de origen fósil pueden hacerse cargo de estos “huecos” o “valles”. Pero si es así, se seguirían consumiendo fósiles, suponiendo que siguiesen estando disponibles, mucho más allá de lo sostenible para el planeta.

Dado que se calcula que un metro cuadrado son unos 1000 vatios de irradiación solar a nivel del suelo, incluso con sistemas que pudiesen convertir el 30% (hoy no se encuentran en el mercado células que transformen más del 15-17% del total de la energía solar irradiada en electricidad), se necesitarían unos 15*10^9 m2 de paneles. Esto son unos 15.000 Km2 de paneles. En principio, no parece mucho.

A la Tierra llega procedente del Sol miles de veces más energía de la que consume la humanidad entera. Pero es un recurso que la civilización casi no usa, a pesar de que hacerlo ayudaría a resolver el problema del calentamiento del planeta. Y no es que convertir la luz del sol en electricidad sea tecnológicamente complicado. Es que es caro, al menos en un mercado como el actual que no contabiliza los costes ambientales. La solución pasa por aumentar la eficacia de las células solares.

A la certidumbre de que el sol proyecta miles de veces más energía que la que el ser humano transforma (unas 10 ó 12.000 veces), se une la incertidumbre de que habría que estudiar con detalle y detenimiento cuánta energía fósil se ahorraría produciendo esas células fotovoltaicas y sus estructuras asociadas. Porque si energéticamente no se ahorra mucho, no habría una mejora significativa del calentamiento del planeta. Hay que seguir incidiendo sobre este aspecto de la energía neta, hasta que quede completamente dilucidado. Y lo que suele ser una verdad poco consistente, es que los paneles son caros, porque en comparación con las energías fósiles, éstas últimas salen bien paradas, porque no se “contabilizan los costes medioambientales”. No se puede ignorar que la fabricación de las células fotovoltaicas, sobre todo en un supuesto arranque masivo de fabricación para la sustitución de la energía fósil, exige el consumo de grandes cantidades de energía fósil, si es que alguna vez las células fotovoltaicas pueden llegar a ser “regeneradoras”; es decir, generar la energía con la que se puedan seguir fabricando más células, aparte de suministrar energía libre para los demás usos. Y si se contabilizase el “coste medioambiental” de los combustibles fósiles, habría que añadirlo también a la fabricación de los paneles solares, que se hacen básicamente con éstos. Eso es algo que generalmente siempre ocultan los apologistas de la energía solar fotovoltaica

Antonio Luque, director del Instituto de Energía Solar (IES), de la Universidad Politécnica de Madrid, cree en el pronóstico de que la energía solar fotovoltaica puede proporcionar a mediados de siglo el 30% de la electricidad consumida en el planeta. Pero con una condición: "Que se produzca un cambio fundamental en el concepto de las células solares". La razón, dice, es que aunque las células actuales mejoren, nunca lo harán lo bastante como para producir una parte importante de la energía. Una célula comercial hoy convierte en electricidad el 15% de la luz que incide en ella; hay consenso en que esa cifra mejorará gracias a avances técnicos, y además a medida que crezca el mercado -ya lo hace, y a buen ritmo- bajarán los precios. "Con eso tal vez se logre que la energía solar proporcione el 3% de electricidad a mediados de siglo, pero no más", asegura Luque. Por eso hace falta un "invento fundamental" que dé pie a una nueva generación de células solares, mucho más eficaces y baratas de producir. Ese es el objetivo de centenares de investigadores en Europa, EE UU y, sobre todo, en Japón. El sector fotovoltaico se mueve, tanto a escala industrial como científica y los grupos compiten por producir la célula y el módulo más eficaz.

El profesor Luque, de reconocido prestigio en el mundo de la energía solar fotovoltaica, es muy razonable, cuando supone que las células no podrán “producir una parte importante de la energía”, lógicamente, refiriéndose a la energía eléctrica, que apenas es una fracción de toda la energía primaria que consume el ser humano. Mucho menos, para producir toda esa energía primaria y mucho menos para seguir sosteniendo el crecimiento económico y de consumo energético. Esto conviene resaltarlo, porque cuando se habla de renovables, siempre se deja abierta la puerta a que “son las que van a sustituir al consumo de fósiles y eso está lejos de ser cierto.

Pero no deja de ser una conjetura macroeconómica (en la que el profesor Luque ya no es tan experto), suponer que con el rendimiento y precio actual, las células fotovoltaicas no podrían producir más del 3% de la energía eléctrica mundial a mediados de este siglo

En Europa se puso en marcha a finales de 2003 el proyecto FullSpectrum, que lidera el IES y en el que participan 19 centros europeos, con una financiación para cinco años de 8,4 millones de euros. El nombre del proyecto hace referencia a una idea teóricamente sencilla: construir células que aprovechen todo el espectro electromagnético, o casi, y no una sola parte de él, como ahora.

Las células fotovoltaicas están hechas de materiales semiconductores que convierten la luz en electricidad. El proceso, básicamente, es así: en los átomos del material hay electrones ocupando varios niveles de energía. En los niveles más bajos, más poblados de electrones, estos apenas pueden moverse. Pero cuando un electrón salta al nivel superior puede trasladarse libremente y ser recolectado para generar corriente. La condición para que se produzca el salto es que el electrón del nivel inferior reciba una cantidad de energía igual o mayor de la que le separa del nivel superior.

En las células fotovoltaicas son las partículas de luz, los fotones, las que proporcionan esta energía. Pero no valen todos los fotones del haz de luz; aquéllos con energía menor a la barrera entre los electrones atravesarán la célula solar sin ser absorbidos, mientras que los de más energía contribuirán, con el exceso, a calentar el material.

¿Cómo evitar ese desperdicio de fotones? La anchura de la barrera energética entre los electrones es una propiedad intrínseca del material, así que, ¿por qué no construir células solares con varias capas de materiales distintos? Cada capa aprovecharía la energía de distintos fotones. "Teóricamente se podría hacer células con infinidad de capas, para aprovechar el 100% de los fotones", explica Ignacio Rey-Stolle, del IES. Sin llegar a ese ideal, imposible en la práctica, estas células con varias capas existen. Se llaman multiunión, tienen por ahora sólo tres capas y su límite de teórico de eficiencia es del 86%. No es el 100%, pero es mucho más que el límite de las células convencionales, cercano al 40%.

Pero aún queda mucho para siquiera rozar el límite teórico de las células multiunión: en la práctica su récord de eficacia actual ronda el 37%. Aún así, ya se han usado en satélites espaciales. ¿Por qué no se destinan al consumo masivo? Porque son carísimas de producir.

Y llegamos al meollo del asunto. La mezcla de lo económico y lo energético, que todo lo perturba y distorsiona. Las células actuales comerciales, que ya se dicen bastante caras, rinden un 15-17%. Sin embargo, se augura que las células multiunión podrían llegar a transformar en electricidad cerca del 40% de la energía que el sol proyecta sobre ellas. Pero se admite que son “carísimas” de producir. ¿Cuánto de caras? ¿Diez veces más?, porque si duplicamos el rendimiento de transformación solar-eléctrico, pero el coste económico se dispara diez veces (quizá más), estamos haciendo un pan como una hostia. Y habrá que ver con verdadera seriedad, si los componentes de este EXTRACOSTE económico no son realmente energéticos. Porque si en última instancia lo son, como muchos sospechamos, y como generalmente sucede siempre, con las tecnologías y producciones que exigen infraestructuras muy complejas e interrelacionadas en pie para poder existir, el rendimiento energético sería menor que el de las células actuales y por tanto, las posibilidades reales de reemplazar el brutal y eternamente creciente consumo de fósiles actual no dejaría de ser una entelequia. El aumento de la complejidad de los sistemas conduce, por experiencia, a un aumento acelerado de la entropía en general.

Rey-Stolle muestra un ejemplo de la aportación de su grupo: una placa cuadrada de vidrio de varios centímetros de lado, construida en el programa FullSpectrum. El vidrio tiene una estructura interna como los pétalos de una flor, que confluyen en el centro en un minúsculo punto oscuro. Ese punto es la célula solar: un cuadradito de apenas un milímetro de lado compuesto por dos capas -arseniuro de galio y fosfuro de galio e indio-. Cada capa absorbe fotones de una energía distinta. El vidrio es un embudo de luz, un concentrador, que multiplica la densidad de energía que llega a la célula.

"Lo caro aquí es la célula", dice Rey-Stolle. "El 80% del coste total está en la oblea, así que nosotros apostamos por células muy pequeñas, y por concentrar la luz con lentes, que son baratas". La minúscula célula en su mano recibe mil veces más luz de la que recibiría sin el concentrador -trabaja, en la jerga, a mil soles-. Esta estrategia de miniaturización tiene además otra ventaja: para la fabricación se puede recurrir a la misma tecnología con que se hacen los hoy ubicuos diodos láser. "La industria no tiene que aprender técnicas nuevas" , afirma Rey-Stolle.

La idea de hacer muy pequeño lo más caro y usar concentradores parece tan buena que ¿porqué no ha entrado en el mercado? Porque también tiene inconvenientes. Por ejemplo hacen falta paneles tipo girasol para que el sol dé de lleno en la pequeña célula; los paneles fijos no valen. No obstante, las células multiunión son tan caras que su avance sería imposible sin los concentradores.

Al ser mucho menores en tamaño los muy complicados compuestos de arseniuro de galio y demás, en este caso, porque sobre ellos luego se van a concentrar los mil soles sobre ellos, en teoría, el coste del material resulta mucho menor. Muy ingenioso. Se concentra la luz solar de mil unidades de superficie sobre una. Eso lo hacen con la ayuda de unas lentes de Fresnel y una parábola o cono en forma de foco. Las lentes de Fresnel son un invento originariamente español, que ahora se producen fubdamentalmente en los EE.UU. Estas lentes planas, tienen la virtud de concentrar la energía lumínica como si se tratase de una lupa. El ahorro en material complejísimo de los arseniuros de galio y los fosfuros de galio e indio es enorme, ya que las lentes de Fresnel se supone son más fáciles y baratas de fabricar. Pero no se dice nada sobre la durabilidad de la pequeña unidad de material fotosensible que se expone a mil soles durante el día y a cero soles durante la noche; de sus procesos de dilatación y contracción en las uniones y entre las capas. Hay que ver si este sistema puede garantizar una vida útil de 25 años, como las células actuales, que son de “un solo sol”. Nadei dice nada de los complejos sistemas de refrigeración exigidos. Hay que verlo. Y hasta ahora nadie nos lo ha enseñado. Esperamos con impaciencia ver el efecto de los mil soles a lo largo del tiempo sobre esa minúscula porción de arseniuro de galio y fosfuro de galio e indio. Porque si el material dura diez veces menos, el rendimiento energético final y total puede resultar negativo o muy negativo

Por otra parte, es claro que si hay un sistema de foco hacia la micro-oblea, será necesario un seguidor de dos ejes con alta precisión, que mantenga el foco siempre centrado sobre la dirección de los rayos solares, porque de lo contrario, la captura energética sería cero. Existen en el mercado multitud de seguidores de dos ejes, que pueden hacer esa función sin mayores problemas técnicos y a un costo que teóricamente compensa, si se trata del costo económico actual, ya que se genera más desde el amanecer y hasta el atardecer y no sólo cuando el sol se encuntra en el cenit, como con los sitemas fijos. Se estima que entre un 25 y un 40% más que respecto de los paneles fijos. La cuestión está en saber si el coste económico de la instalación del seguidor compensa con la producción eléctrica adicional. Y sobre todo, si el coste energético de producirlo, instalarlo y mantenerlo, compensa la ventaja energética que resulta de su utilización. Algunos llevan toneladas de hormigón en la base y toneladas de acero en la estructura, para mover paneles de apenas 10 KWp

Uno objetivo del Fullspectrum es llevar las células multiunión al mercado masivo. Pero el programa también sigue otras vías para dar con la célula fotovoltaica del futuro, como la energía termosolarfotovoltaica: usar la luz solar para calentar un radiador, y después iluminar con el calor del radiador una célula solar. El fundamento es que "un cuerpo que se calienta está usando todos los fotones", dice Luque, "así que los fotones que la célula solar no aprovecha pueden mandarse de vuelta al radiador para aprovechar su energía manteniéndolo caliente. Eso puede generar un rendimiento altísimo, en teoría". La práctica es más complicada porque, al devolver los fotones al radiador, hay pérdidas.

Otra estrategia para aprovechar todo el espectro electromagnético es usar materiales de banda intermedia, en los que el electrón del nivel inferior de energía salta a un nivel intermedio, en vez de hacerlo directamente al superior. Para dar los dos saltos el electrón necesita fotones de diferente energía, y la luz se aprovecha mejor. "Se cuestionaba la existencia de materiales de banda intermedia, pero ya no nos cabe duda de que existen", dice Luque, "pero es muy difícil técnicamente".

Fullspectrum explora dos ideas más: crear materiales de banda intermedia usando puntos cuánticos -nanoestructuras-; y moléculas orgánicas. El IES lidera la línea de los puntos cuánticos, una visión a largo plazo que pretende estudiar el sistema.

Esperamos con ansiedad el bálsamo de Fierabrás de los nanotubos (otro paso hacia delante en el aumento de la complejidad, que últimamente parece va a solucionar cualquiera de los muchos males que aquejan la planeta Tierra, como lo demuestra la larga lista de piles de oso en forma de promesas que se les atribuyen, sin que hayamos cazado el oso todavía) Y nos gustaría saber a qué se refieren los expertos del IES con la “visión a largo plazo”. Es perentorio, porque los 6 ó 7.000 millones de toneladas de petróleo y gas natural que ahora consumimos y que a mitad de siglo pueden ser el doble si seguimos por esta senda del desarrollo sin límites, pueden no llegar. O bien porque estamos todos asfixiados con el calentamiento global o bien porque esos fósiles ya se han acabado. El problema de la energía solar es que el agotamiento de la energía fósil, sumado al efecto que provoca su combustión en la naturaleza, no permite dilación, ni medias tintas. O se puede sustituir la mayor parte de la energía fósil que ahora quemamos, o la energía solar no dejará de ser un juguete, muy interesante, eso si, pero para usos particulares o muy limitados en alcance y en tiempo.