El futuro inmediato de las celdas fotovoltaicas

El Sol proporciona a la Tierra una potencia de más de 1,350 watts (w) por metro cuadrado (m2) en promedio; la mitad de dicha cantidad es reflejada hacia el espacio exterior o absorbida por la atmósfera. De manera que 675 w/m2 en promedio llegan a la superficie y si consideramos el disco que es iluminado continuamente tiene un área de 127.5 X 1012 m2, obtenemos que el Sol proporciona a la tierra  86.07 X 1015 w de manera continua . Los seres humanos consumimos alrededor de 15 X 1012 w, es decir, un poco más de la seis milésima parte de lo que nos llega. Visto temporalmente, en 15 segundos el sol nos provee tanta energía como la que los seres humanos consumimos en un día.  Estas cifras son asombrosas y sorprendentes. En 91 minutos y 40 segundos, el Sol proporciona a la superficie terrestre 13.15 X 1016 watts-hora (wh) , tanta energía como los humanos consumimos en un año. En 116.18 horas (4.84 días) nos proporciona 1 X 1019 wh, es decir, tanta energía como la que se encuentra en todas las reservas probadas de petróleo, carbón y gas natural del planeta.

Si fuésemos capaces de capturar la décima parte del 1% de la energía solar que choca con la Tierra –una parte en mil–tendríamos acceso a casi seis veces (5.74) la cantidad de energía que consumimos actualmente en todas sus formas y casi sin emitir gases de efecto invernadero, los causantes del calentamiento global antropogénico. Con la tasa actual de crecimiento en el consumo mundial de energía, 1% cada año, tardaríamos casi 176 años en llegar a consumir diariamente la milésima parte de la energía que el Sol nos proporciona continuamente.

Sin embargo, la energía solar proporciona aún una fracción diminuta de la capacidad de generación en el planeta. Aunque la energía solar es más que abundante, hasta hace poco  los sistemas para capturarla eran ineficientes y caros. A finales del 2009 la capacidad instalada de energía solar fotovoltáica era de 24-25 X 109 w pico y se generaban entre 30 y 35 X 1012 wh al año; en 2010 se añadieron otros 16-17 X 109 watts pico para llegar a un total de 40 X 109 watts pico instalados y una producción de 50 X 109 wh al año.

Afortunadamente, la situación está cambiando. Durante los 30 años previos al 2011, el precio de esta forma de captura de la energía solar cayó exponencialmente, dando pie a la posibilidad de un análogo a la ley de Moore: Ésta establece que, a partir de observaciones a lo largo de la historia de la computación,  el número de transistores en los circuitos integrados se duplica cada dos años, aproximadamente. Similarmente,  cada 18 meses  se duplica el desempeño de los circuitos integrados debido  tanto al mayor número de transistores como de una mayor velocidad en su funcionamiento. Esa es la razón por la que un teléfono móvil tiene actualmente miles de veces más memoria y es decenas de veces más rápido que la primer supercomputadora (Cray 1),  pesa algunos gramos en lugar de casi 5 toneladas y  cuesta miles de pesos en lugar de cientos de millones.

Si algo similar se establece en el mercado de la tecnología solar, eventualmente tendremos energía masivamente distribuida e increíblemente más barata y más eficiente que la tecnología gigantesca de la que nació.

El laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de los Estados Unidos ha seguido el precio por watt de la tecnología fotovoltáica desde 1980 que ha caído de $290.00 pesos en 1980 a menos de $40.00 a finales del 2009; es decir, un decremento anual del 7% en promedio durante dicho lapso; el precio por watt descendió 30% en 2010 y en 2011-12 bajó otro 20%.

¿Qué es lo que impulsa los cambios? Dos procesos, principalmente:
Primero, los fabricantes de celdas han venido diseñando –al igual que los fabricantes de circuitos integrados— procesos de construcción que reducen el costo de la fabricación. Segundo, la eficiencia de las celdas –la fracción de la radiación solar que transforman en energía eléctrica— ha ido en aumento. En laboratorios, se ha logrado eficiencias tan altas como 41.35%, algo impensable hace 30 años; las celdas de cristales de silicio llegan a 27.6% y los métodos baratos de película delgada han alcanzado eficiencias en el laboratorio del 20.3%. Adicionalmente, los métodos comerciales de fabricación en masa puestos en marcha durante la última década, han logrado ya un aumento en la eficiencia de fabricación del 11.1% con respecto al proceso previo de fabricación comercial.

De continuar la tendencia –y no hay razón alguna para pensar que no lo hará— el costo de la electricidad solar cruzará el valor promedio actual de venta al público  de  electricidad en Estados Unidos ($ 1.60 pesos por watt) alrededor del año 2016. Además, dado que el precio promedio de venta al público se ha venido incrementando alrededor de 3-4% anual en los últimos cinco años, es muy probable que el costo de la electricidad solar lo alcance antes, quizá en 2014. Es probable que para el 2030, la electricidad solar cueste la mitad de lo que actualmente cuesta la electricidad generada quemando carbón.

El precio de venta al público, sin embargo, no incluye el daño que se hace al ambiente con la generación de electricidad mediante la quema de combustibles fósiles. Si sólo se incluyese el costo adicional en salud por los problemas respiratorios causados por la contaminación del aire, el valor promedio de venta al público se elevaría muy por encima del costo de generación de cualquier proceso limpio como la conversión de energía solar. Cabe mencionar que para fabricar un sistema fotovoltaico de 1,000 watts, se consumen 1,550,000 wh; dicha energía es generada por el sistema, a la latitud de Morelos, en tan sólo 335 días. Más importante aún, es el hecho de que el funcionamiento de dicho sistema evita la emisión de poco más de 1,240 kg de bióxido de carbono (CO2) al año.
Un sistema seguro y sostenible de energía debe incorporar el costo de todos los invaluables servicios que nos provee un ambiente saludable, no contaminado.

Artículo publicado originalmente “El futuro inmediato de las celdas fotovoltaicas” en el periódico Unión de Morelos por miembros de la Academia de Ciencias de Morelos A.C.