ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

DESCRIPCION BASICA Que Es El sol, es fuente de vida y origen de las distintas formas de energía que el ser humano ha utilizado desde que dio sus primeros pasos en la Tierra. Su energía puede, en principio, satisfacer todas las necesidades energéticas primarias de la sociedad. En efecto, la energía solar que llega diariamente a la superficie terrestre equivale, aproximadamente, a unas 15.000 veces la energía primaria diaria, que es consumida mundialmente, en la actualidad. Además del empleo directo de la energía solar a través de los procesos naturales, es posible utilizarla convirtiéndola artificialmente en energía térmica y eléctrica para satisfacer las necesidades diarias, en forma similar a la de las fuentes de energía más conocidas (petróleo, gas, carbón, hidroelectricidad o energía nuclear). La energía solar tiene dos características importantes: es una energía prácticamente inagotable y no es contaminante. Asimismo, es una fuente de energía disponible, en mayor o menor medida, en cualquier parte del planeta (ver Figura1), pudiendo ser colectada y transformada en el lugar de utilización1.

Watts por metro cuadrado por día

Figura 1: Radiación solar diaria promedio incidente en la superficie terrestre Cabe señalar que la radiación solar que llega a la superficie terrestre tiene baja densidad energética y su suministro es intermitente (ciclos día-noche). Por lo tanto, es imprescindible captarla sobre superficies relativamente grandes, donde pueda acumularse la energía necesaria, o complementarla con otra fuente, para su utilización en horas nocturnas o en períodos de menor insolación como el invierno.

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Esto último puede ofrecer ventajas económicas considerables, particularmente en áreas remotas y aisladas, para las cuales el costo de transporte de combustibles convencionales (derivados del petróleo y gas) o de distribución de electricidad pueden ser muy elevados.

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Reseña Histórica Desde 1958 y hasta la primera crisis del petróleo en 1973, las celdas solares tuvieron principalmente aplicaciones en los campos espacial y militar. Las crisis del petróleo durante la década del 70 impulsaron el desarrollo de la tecnología fotovoltaica FV para usos terrestres. A mediados de los 90, las actividades en el campo FV recibieron un renovado impulso, esta vez gracias a la creciente presión ecologista de la sociedad y a la reducción del costo de los sistemas.

Como Funciona Superficie Requerida vs. Demanda A fin de dar una idea de la superficie requerida para satisfacer con energía solar una demanda determinada, se considera a continuación, a modo de ejemplo, el caso de la energía eléctrica en la Argentina. La radiación solar media incidente sobre el territorio nacional en la zona comprendida al norte del río Colorado, que cubre una superficie de 2 millones de km2, es, en promedio anual, de 4,6 kWh/(m2.día). Dado que el consumo anual de energía eléctrica, en 2010, fue de 115 x 109 kWh, considerando una eficiencia de conversión de energía solar en electricidad del orden de 15% (eficiencia media de un panel solar) y un factor de ocupación del terreno del 50%, se requeriría una superficie de aproximadamente 900 km2 para generar dicha energía. Sería un área similar a la del espejo de agua de la represa hidroeléctrica del Chocón, pero, en este caso, para generar 25 veces más energía eléctrica. Este es un ejemplo claro de la factibilidad de obtener de la energía solar suficiente para satisfacer el consumo humano. Su empleo masivo dependerá, por un lado de los costos relativos que se alcancen para un uso integral de la misma, incluyendo los costos de los sistemas de acumulación, transporte y distribución, en los casos necesarios, y de las políticas de promoción para su desarrollo. El balance global deberá incluir el cuidado del medio ambiente asociado a la producción energética. Conversión Fotovoltaica La conversión directa de la energía solar en electricidad se obtiene mediante la utilización de dispositivos fotovoltaicos (FV). El componente principal de la industria FV es la celda solar de silicio cristalino (c-Si). La tecnología de este semiconductor se encuentra sumamente desarrollada por ser la base de la industria electrónica. Aunque se han registrado progresos notables en el desarrollo de nuevas celdas FV, es de esperar que la tecnología del c-Si, que dominó el mercado fotovoltaico durante los últimos 30 años, continúe haciéndolo durante, al menos, 10 años más. El módulo o panel fotovoltaico, que es un conjunto de celdas FV conectadas en serie entre sí (Figura 3), es el elemento básico en el sistema FV. Generan corriente continua y se caracterizan por la potencia (W pico ó Wp) que pueden entregar al ser iluminados con una radiación solar de 1 kW/m2 (valor típico al mediodía de un día despejado). Existen módulos FV comerciales

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con potencias dentro de un rango relativamente amplio, típicamente entre 80 Wp y 300 Wp, con tensiones de trabajo características entre 12 V y 48 V.

Figura 3: Módulos fotovoltaicos – figura ilustrativa. Sistema Fotovoltaico Típico Un sistema FV típico incluye módulos, baterías (si se requieren), sistema de control y acondicionamiento de potencia, el conversor de corriente continua a corriente alterna (si se requiere) y una estructura de montaje. Los sistemas pueden clasificarse en dos grandes categorías: aislados e interconectados a la red de distribución eléctrica. A continuación se enumeran aplicaciones de ambas categorías: •

Sistemas aislados (“stand-alone”): Espaciales; Electrificación rural; Bombeo de agua; Comunicaciones (repetidoras, radiotelefonía, etc.); Monitoreo remoto (climático, sísmico, etc.); Boyas para navegación; Protección catódica para evitar la corrosión; Productos de consumo (relojes, calculadoras, etc.); Cargadores de baterías; Autos solares.

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Sistemas interconectados a red: Integrados a edificios (“PV in buildings”); Centrales de potencia.

Figura 4: Sistemas aislados (escuela en el NOA) y sistemas conectados a la red (www.kinsolar.es)

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Aplicaciones Espaciales La energía fotovoltaica también cumple un rol fundamental en las aplicaciones espaciales. Los paneles solares alimentan de energía eléctrica a los satélites y son responsables del continuo funcionamiento de sus equipos. En este sentido, el Departamento Energía Solar (DES) de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) realiza el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos para aplicaciones espaciales que se enmarcan en el Plan Nacional Espacial. Entre sus éxitos más recientes se encuentra el satélite Argentino SAC-D/Aquarius, emprendimiento conjunto entre la CONAE y la agencia espacial de los Estados Unidos (NASA), en el cual el DES de la CNEA fue responsable del desarrollo e integración de los paneles solares de alimentación (Figura 2).

Figura 2: Satélite SAC-D/Aquarius MERCADO Evolución de la Energía Solar Fotovoltaica Las políticas de Estado en marcha en diversos países desarrollados y emergentes, como ser varios países de Europa, Japón, China, India, Corea y EE.UU. entre otros, están orientadas a lograr un cambio de escala en el mercado FV. Estas políticas han puesto el mayor impulso durante los últimos años en el área de los sistemas interconectados a la red, a través de programas oficiales y diferentes políticas de promoción. En los años recientes, la industria fotovoltaica ha tenido un crecimiento explosivo, multiplicándose por más de 7 la potencia instalada entre los años 2005 y 2010, llegando la misma a alrededor de 40 GW. Entre todas las energías renovables, la solar FV fue la que tuvo mayor crecimiento en el período 2005-2010, con una tasa anual promedio del 49%, que se eleva al 72% considerando solo 2010. Si se tienen en cuenta solo los sistemas conectados a la red, estas tasas devienen en 60% y 81% respectivamente. Como comparación, la tasa promedio de crecimiento de la energía eólica fue del 27%, de la energía solar térmica del 25%, de la producción de biodiesel del 38%, y de la hidroelectricidad de potencia del 3%. Si bien el porcentaje de producción de electricidad a nivel global por energías renovables es del 19,4%, aproximadamente la mitad de los 194 GW instalados globalmente en 2010 han sido de fuentes renovables. Mientras que la capacidad instalada de energía eólica en 2010 fue de 39 GW, y la hidroeléctrica de potencia contribuyó con 30 GW, solar FV lo hizo con 17 GW, una

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cantidad en absoluto despreciable en el marco de las renovables. En el caso de la Union Europea, más de la mitad de las nuevas instalaciones de renovables fueron de origen solar FV. Capacidad Instalada En cuanto a la capacidad instalada de solar FV por países el liderazgo sigue siendo de Alemania, con un 44% del total instalado al 2010. Le siguen España con un 10%, Italia y Japón con un 9%, EEUU con un 6%, y un ejemplo notable que es el de la República Checa, con un 5%, donde había instalaciones virtualmente nulas en 2008 y llegaron a 2 GW en 2010. Otros países que siguen en orden son Francia con un 3%, y China, Bélgica y Corea del Sur con un 2%. La Figura 5 muestra la potencia instalada de las principales energías renovables en diferentes regiones, excluyendo generación hidroeléctrica a gran escala. La capacidad total mundial instalada es de aproximadamente 6800 GW. En el caso de la tecnología FV, sólo se incluyen las instalaciones conectadas a la red eléctrica. Si bien como puede observarse en dicha figura la tecnología FV está actualmente en una etapa de desarrollo inferior al de otras energías renovables, cabe señalar que al tener una tasa de crecimiento superior al resto de las renovables su importancia irá creciendo con el tiempo.

Otras Geotérmica Solar FV Biomasa Eólica

Total Mundial

Países en Desarrollo

Estados Unidos

Alemania

España

Figura 5: Potencia instalada de generación eléctrica por energías renovables, al año 2010, en las diferentes regiones y los países principales. Costo de Producción El mejoramiento de la tecnología FV ha sido constante y el costo de generación eléctrica FV ha ido bajando a medida de que el volumen de producción fue aumentando. Luego de un período de estancamiento del precio de los módulos FV, como consecuencia de una producción de silicio insuficiente en relación con el crecimiento de la industria FV, las inversiones realizadas en el sector dieron lugar a un importante aumento de la oferta de dicho material de base con la consecuente baja de precios de los módulos FV, los cuales alcanzaron en 2010 valores entre 1,30 y 1,80 US$ por Watt. Esta tendencia a la baja se mantuvo también en 2011.

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Tecnología más Utilizada La tecnología del silicio cristalino sigue siendo la dominante en el mercado FV, mientras que las denominadas tecnologías de película delgada, basadas en teluro de cadmio y silicio amorfo, poseen en la actualidad un 13% del mercado. Tecnologías emergentes como compuestos de cobre indio galio y selenio (denominado CIGS), celdas sensibilizadas con colorantes (DSSC), celdas orgánicas, y celdas basadas en semiconductores III-V, como el arseniuro de galio, utilizando concentración óptica de la radiación solar, aún se encuentran en una etapa experimental. Sin embargo, en el último caso mencionado ya existen 20 MW conectados a la red y en California (EEUU) hay contratos firmados para la instalación de 300 MW utilizando esta tecnología. Desarrollo a Futuro El crecimiento del mercado FV ha puesto esta tecnología en un lugar expectante, debido al mejoramiento de dicha tecnología y el previsible aumento del costo de operación de las fuentes de energía tradicionales basadas en combustibles fósiles. Especialistas en el tema afirman que en pocos años la energía eléctrica de origen FV no subsidiada tendrá un costo para el consumidor final equivalente a la correspondiente a la generada por combustibles fósiles o por otras fuentes en varios mercados. Cabe destacar que esto ya es una realidad en Italia, España, y Portugal, mercados que tienen en común relativamente altos niveles de insolación, altos costos de la energía eléctrica, y regímenes de regulación de los precios que fomentan el crecimiento de las energías renovables. Dentro de los próximos 10 años se prevé que esta sea la situación en la gran mayoría de los países del mundo, incluyendo la Argentina. Mercado Fotovoltaico en la Argentina Existen en el país instalaciones para la generación de energía eléctrica con equipos que emplean tecnologías eólicas, biomasa y solar, que hasta ahora tienen baja incidencia en cuanto a la potencia instalada. En el caso de solar FV cabe señalar, sin embargo, que la primera planta de generación FV del país, de 1,2 MW y construida en el marco del Proyecto Solar San Juan de esta Provincia, se encuentra ya inyectando energía al Sistema Argentino de Interconexión. Por otra parte, en la Argentina hay numerosas poblaciones rurales dispersas que carecen de electricidad. Si bien existe un elevado porcentaje de electrificación, una porción de la población rural argentina carece de servicio eléctrico. A ello se suman numerosas escuelas y otros servicios públicos en áreas rurales que tampoco cuentan con energía eléctrica. En la mayoría de estos casos, las fuentes renovables y en especial la solar FV, son la mejor alternativa energética. El mercado FV argentino puede considerarse segmentado en tres grupos de demandas: rurales, industrial e institucional. Las demandas internas totales de módulos FV tuvieron un crecimiento sostenido entre un 20 y un 50% anual hasta el año 1999, alcanzando en ese momento un valor cercano a 1.000 kWp/año. A partir de ahí y muy particularmente luego de la devaluación, la demanda de sistemas FV sufrió una fuerte regresión que recién se revirtió en el año 2003 con una nueva caída en el año 2007. En la Figura 6 se da la evolución del mercado

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entre los años 1997 y 2008, discriminado entre ventas en Argentina (uso interno) y exportación. La demanda rural está conformada por los requerimientos de establecimientos ganaderos y agrícolas o de quienes residen en el medio rural. Los tipos de equipos y componentes más demandados son: módulos FV para carga de baterías destinadas a puestos sanitarios de gendarmería, entre otros, sistemas para iluminación, y alimentación eléctrica para pequeñas bombas de agua en reemplazo del tradicional molino de viento.

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08

Potencia (kWp)

Mercado Argentino

Año Ventas en Argentina

Exportación

Figura 6: Demanda total de módulos FV en la Argentina El sector industrial está conformado por los requerimientos de algunas empresas, como por ejemplo las prestadoras de servicios telefónicos, las más representativas por los volúmenes de módulos adquiridos. Los usos se orientan a la provisión de energía a sistemas de comunicaciones, telemetría, balizamiento, señalización, sistemas de emergencia en autopistas y protección catódica para evitar la corrosión. El sector institucional incluye los programas de asistencia social, los entes reguladores de energía, las fundaciones y las empresas provinciales de energía cuyo objetivo es proveer de pequeñas cantidades de electricidad a comunidades rurales que se encuentran alejadas de las redes de distribución. Esta demanda ha tenido un crecimiento importante a partir de la puesta en marcha del Proyecto de Energías Renovables para Mercados Eléctricos Rurales (PERMER), acordado con el Banco Mundial a fines de 1999. En una primera etapa, se previó proveer servicio a unos 87.000 usuarios y a 2.000 instituciones públicas especialmente para iluminación y comunicación social. Más de 500 escuelas rurales en varias provincias resultaron beneficiadas por la instalación de sistemas fotovoltaicos que alimentan sus necesidades básicas de energía eléctrica. Recientemente se ha dado un nuevo impulso a las energías alternativas con las licitaciones públicas (ENARSA y San Juan) para la instalación de plantas de producción de energía FV conectadas a la red eléctrica. Mientras que la planta licitada por San Juan (de 1,2 MWp) se encuentra ya en funcionamiento, el resultado de las licitaciones llevadas adelante por ENARSA 7

prevé la instalación de un total de 20 MW conectados a la red en el corto plazo. La concreción de estos emprendimientos así como la reactivación del proyecto PERMER, que está dando lugar a la instalación de aproximadamente 2 MWp entre los años 2010 y 2011, están dando lugar a un cambio de escala en el mercado local en relación con la potencia instalada hasta el presente. A los estímulos señalados en el párrafo anterior se suman la vigencia de la ley 26190/06, que prevé un beneficio de $ 0,90 por kWh generado por energía solar, y la convocatoria llevada a cabo en 2011 por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT), dependiente del Ministerio de Ciencia, Tecnología, e Innovación Productiva (MINCyT), para la presentación de proyectos que representen la introducción de nuevas tecnologías en el país para la generación de energía eléctrica de origen solar conectada a la red. Así, existen signos alentadores en cuanto a la adopción de políticas de Estado que incorporen de manera significativa la tecnología FV al país propiciando un mercado local que permita el desarrollo industrial del sector y, consecuentemente, la diversificación de la generación de energía eléctrica incorporando fuentes renovables.

REFERENCIAS Autor Departamento Energía Solar (DES) de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA): inició sus actividades en el año 1976. Los primeros trabajos se desarrollaron en el área de la conversión fototérmica (transformación de radiación solar en calor) mediante la utilización de concentradores de radiación aptos para la producción de fluidos calientes para usos industriales o generación de electricidad. A mediados de la década del ochenta, comenzaron las tareas de investigación y desarrollo sobre conversión fotovoltaica de la energía solar (transformación directa de radiación solar en electricidad). En 1986 se puso a punto el proceso de crecimiento de cristales de silicio mediante la técnica Czochralski. A partir de 1992, la actividad se centró en el diseño, elaboración y medición de celdas solares de silicio. Desde 1995, el DES orientó sus principales esfuerzos al desarrollo de celdas y paneles solares para satélites artificiales, dentro del marco de un acuerdo de cooperación con la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE). Ello dio lugar al primer experimento de celdas solares argentinas en el espacio, que se llevó a cabo en el satélite argentino SAC-A, el cual fue puesto en órbita a fines de 1998. Luego de la exitosa experiencia en el SAC-A y a fin de proveer los paneles solares para las futuras misiones satelitales previstas en el Plan Espacial Nacional, en marzo de 2001 la CONAE y la CNEA suscribieron un convenio de cooperación cuyo objetivo final es proveer los paneles solares de vuelo para los satélites de observación argentinos SAOCOM. Este convenio, encuadrado dentro de la Ley No 23.877 de innovación tecnológica, dio lugar a la iniciación en el Centro Atómico Constituyentes (CAC) del 8

Subproyecto Paneles Solares como parte del Proyecto SAOCOM. La ejecución de dicho subproyecto permitió desarrollar en el país las herramientas de diseño y las técnicas de fabricación, caracterización, calificación y ensayo de paneles solares para usos espaciales. En contratos posteriores, la colaboración con la CONAE fue ampliada a fin de incluir el desarrollo de los paneles solares para la misión Aquarius/SAC-D y también la realización de ensayos ambientales sobre celdas solares y otros componentes para uso satelital. La misión satelital Aquarius/SAC-D es un emprendimiento conjunto entre la CONAE y la agencia espacial de los Estados Unidos (NASA), en el cual la CNEA es responsable del desarrollo de los paneles solares para el satélite. En el marco del contrato correspondiente, durante el año 2008 se completó exitosamente la campaña de ensayo y calificación del Modelo de Calificación (“Engineering Qualification Model”) de los paneles solares para dicha misión. Recientemente, se completó la fabricación de los paneles solares de vuelo, utilizando tecnología desarrollada en la CNEA. En la actualidad se continúa trabajando en el desarrollo de los paneles solares para las misiones SAOCOM, los cuales formarán parte del Sistema Italo Argentino de Satélites para la Gestión de Emergencias (SIASGE). Durante los últimos años, y ya en el campo de las aplicaciones terrestres, se desarrollaron medidores de radiación solar de bajo costo, basados en celdas fotovoltaicas. Varios prototipos de estos radiómetros fueron probados y calibrados en el Servicio Meteorológico Nacional y algunos de ellos están siendo utilizados en estaciones meteorológicas en diferentes provincias del país. Durante el 2011 se aprobaron dos subsidios destinados a la “Interconexión de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica en ambientes urbanos”, proyectos que implican no sólo el estudio de factibilidad, sino también la instalación de sistemas pilotos en organismos y viviendas sociales. Un aspecto destacable es la inclusión de 5 empresas privadas con las que se conformó un consorcio público-privado junto con UNSAM y CNEA. El DES promueve y participa también en el establecimiento de normas nacionales para sistemas de aprovechamiento de la energía solar, en el marco del Instituto Argentino de Normalización (IRAM). Asimismo, asesora a organismos públicos y privados en temas relacionados con el desarrollo y aplicación de la tecnología fotovoltaica en el país. El DES lleva a cabo una importante actividad de formación de recursos humanos en el tema, a través de la realización de trabajos de laboratorio, Tesis de Licenciatura, de Maestría y Doctorales. Personal del grupo dicta regularmente conferencias, seminarios y cursos de divulgación y formación, para estudiantes y profesionales de diversas especialidades, como también para público en general.

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