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Avances en solar fotovoltaica

Área: Tecnología — jueves, 17 de mayo de 2012

Dos avances recientes en energía solar fotovoltaica permiten vislumbrar una mejor rentabilidad de este tipo de energía.

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Célula solar de polímero del equipo de Princeton-Pennsylvania. Fuente: Frank Wojciechowski.

El petróleo nunca se acabará, pero cada día será más caro extraerlo. Nuestra civilización moderna se ha construido básicamente sobre un recurso de energía prácticamente gratis. Esta situación ya no se va a dar más, pues ya hemos alcanzado el cenit de su producción. De hecho, se cree que ese cenit ya se ha alcanzó, tal y como predice que la curva de Hubbert. Es un problema que se cierne sobre el horizonte y que tenderemos que solucionar de alguna manera.
Una posible solución parcial es el uso de fuentes alternativas de energía, preferiblemente renovables (estos términos no significan lo mismo).
El factor que condiciona la rentabilidad de cualquier fuente de energía es la energía obtenida por cada unidad de energía invertida. Se cree que el umbral de rentabilidad está en un 1 a 10. Por debajo de ese umbral la rentabilidad es más bien dudosa. Todo lo demás es absolutamente secundario y para muchos de esos otros aspectos se puede buscar una solución. Así por ejemplo, el petróleo producido en los EEUU ya está por debajo de ese umbral (ver gráfico). Pero también lo está la energía nuclear o la energía fotovoltaica, al menos según datos de hace unos pocos años. La energía hidráulica y eólica están por encima de ese umbral. Los números en concreto dependen de muchos factores, como la geografía o climatología locales.

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Cantidad de energía producida por unidad invertida frente al total de energía producida para distintas fuentes de energía en los EEUU. El pétroleo local pasó de 100 a 1 en 1939 a 30 a 1 en 1970 hasta el 10 a 1 actual. La energía nuclear, la fotovoltaica (dato de 2009), las arenas bituminosas y los bicombustibles están casi o por debajo del umbral de rentabilidad. Fuente: Searching for a miracle, Richard Heinberg.

Recientemente se han efectuado mejoras comerciales en la energía fotovoltaica que están provocando un abaratamiento de la misma. Pero, mientras tanto, se investiga en los laboratorios para así poder tener una tecnología fotovoltaica realmente eficiente. La gente de la calle se queja de que hay muchas noticias al respecto, pero que al final no se materializa ninguna de ellas. Desconocen que se tarda mucho en investigar cualquier cosa y que una vez obtenido no siempre se puede comercializar o se necesita bastante tiempo para hacerlo.
Hay varías aproximaciones en el tema de la energía fotovoltaica. Una de ellas consiste en abaratar (en términos energéticos o de costo) la tecnología ya existente. Así por ejemplo, el precio de células de silicio ha caído mucho en los últimos años y se espera que lo siga haciendo. Si todo tejado no está cubierto por paneles solares es porque las baterías siguen siendo caras.
Otra aproximación es crear nuevas células que sean muy baratas de producir, aunque su rendimiento sea bajo. En este ámbito están las células de polímeros. La idea es rebajar el costo por vatio instalado, aunque se necesite mucha superficie.
La tercera aproximación es desarrollar nuevos tipos de células solares que tengan un rendimiento muy alto, aunque sean caras, y usarlas con concentradores ópticos.
Vamos a ver dos desarrollos reciente respecto a estas dos últimas aproximaciones.

Recientemente se ha conseguido batir el record [1] de una células cristalinas con un rendimiento del 28,6%. Es decir, casi un tercio de la energía luminosa es convertida en energía eléctrica. Un estudio de 1961 estableció que el máximo de rendimiento teórico de una célula solar está en un 33,5%. Así que, según este punto de vista, estamos ya muy cerca de lo máximo que podríamos alcanzar. Aunque este punto es discutido por algunos expertos que sitúan el máximo más allá.
Eli Yablonovitch y su equipo de la Universidad de Berkeley han conseguido este resultado haciendo que la célula funcione como un LED y que sea tan buena absorbiendo luz como emitiéndola. Lo mejor es que este principio es aplicable a otros tipos de células solares y no solamente a la de arseniuro de galio multicapa que han usado.
Este efecto contraintuitivo se debe a que fundamentalmente hay una relación termodinámica entre absorción y emisión. Si se diseña una célula para que emita luz de manera eficiente esto significa que se produce un buen voltaje si se le hace funcionar a la inversa (recibir fotones y producir electricidad a partir de ellos).
Normalmente los fotones de luz que inciden en el semiconductor producen electrones libres que constituyen la electricidad. Pero en el proceso se pueden producir otros fotones secundarios (en un proceso denominado luminiscencia) que no liberan electrones. Si se facilita que estos fotones se escapen fácilmente se eleva el rendimiento del dispositivo al aumentar el voltaje del sistema.
Este equipo de investigadores estima que al año que vienen podrán superar la barrera del 30% de rendimiento.

En el otro lado está un resultado que consigue incrementar el rendimiento de las células de polímeros. Además de su supuesto bajo precio, el uso de este tipo de células es más versátil debido a que se pueden doblar y adaptar a distintas superficies. En este caso Jongbok Kim y sus colaboradores de las universidades de Princeton y Pennsylvania han aumentado el rendimiento de este tipo de células gracias al uso de “arrugas”, con ello han conseguido elevar el rendimiento en un 47% respecto al rendimiento base [2]. Han publicado el resultado en Nature Photonics.
Recordemos que el rendimiento de este tipo de células “de plástico” es muy bajo en general y que toda célula con un rendimiento por debajo del 10% no tiene sentido comercial. Se está tratando de conseguir un rendimiento entre un 10% y un 15% para este tipo de células. Recientemente un equipo de UCLA ha conseguido un rendimiento de un 10,6% y esta nueva técnica de “uso de arrugas” podría incrementar más aún ese rendimiento haciendo que ya fueran rentables. El otro problema que tiene esta tecnología es la durabilidad de las células que es inferior a otros tipos.
Tradicionalmente se ha tratado de aumentar el rendimiento de estos dispositivos aumentando la conversión de fotones en electrones libres. Pero este nuevo resultado se basa en la idea de tratar de atrapar el mayor número de fotones posible. A más luz solar absorbida mayor rendimiento, aunque éste sea inherentemente bajo. Esta configuración puede además explotar una gama de frecuencias más amplia. La idea está inspirada en las hojas de las plantas que contienen estructuras que guían la luz del Sol para así maximizar la cantidad de luz atrapada.
Al estructurar la célula solar de polímero con una compleja red de ondulaciones espaciadas entre 1 y 5 micras casi han doblado el rendimiento base. Algo que les sorprendió, pues esperaban un incremento mucho menor. Al parecer esta microestructura cambia el ángulo de incidencia de los fotones que son absorbidos mejor y hace de guía de ondas. Además se alcanza un 600% más de absorción en ciertas frecuencias del infrarrojo cercano y el rendimiento se mantiene incluso cuando la célula es doblada, algo, esto último, que no pasa en las células “sin arrugas”.

Quizás no esté tan lejos el día en el que todos tengamos una casa digna (y cuyo costo no esté controlado por las mafias económicas) en la que el uso de arquitectura bioclimática y energía solar nos haga independientes de las compañías del gas y electricidad. La ciencia y la tecnología lo permitiría.

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10 Comentarios

  1. JavierL:

    Estimado neo, ?leí bien?

    “El petróleo nunca se acabará, pero cada día será más caro extraerlo”

    ?No tenemos reservas limitadas de petróleo para cerca de 300 años con la dificultad de necesitar millones de años para que se produzca mas?

    Esa es la información que yo tenía.

    Un saludo cordial

  2. GP:

    De hecho hay petróleo, pero no habrá tecnología humana para extraer el que quede (Véase Tasa de retorno energético)… Un error, y que si lo es, es la fecha del pico del petróleo. La meseta de producción se dio en 2005 y se espera termine por 2020 (véase wikileaks), siendo la fecha probable del pico entre 2007-2015 aproximadamente.

  3. NeoFronteras:

    El momento en el que se cruzó es cenit del petróleo es algo controvertido, dependiendo de la fuente se cita una u otra fecha. Tampoco es algo que pase de un día para otro.
    De todos modos se ha rescrito la frase para que así no haya dudas.

  4. NeoFronteras:

    Estimado JavierL:
    La cantidad de petroleo es finita, pero cada día cuesta más extraerlo. Es como la pasta del tubo dentífrico, siempre se puede sacar un poco más final, pero hay que realizar un esfuerzo cada vez mayor para conseguir cada vez menos.

  5. joabbl:

    “Quizás no esté tan lejos el día en el que todos tengamos una casa digna (y cuyo costo no esté controlado por las mafias económicas)”. Por supuesto. Ese día coincidirá necesariamente con el día que tengamos baterías de litio con miles de veces la capacidad de las actuales por un par de euros (o rupiapesetas), la energía de fusión nuclear impida que las compañías eléctricas nos sigan robando, la comunicacíón a través de Internet se haga mediante ondas telepáticas de energía molocotrónica y despedir políticos a patadas desgrave en la declaración de la renta. Paciencia, ese día ya se vislumbra en el horizonte del universo visible…

    Saludos

  6. NeoFronteras:

    Estimado joabbl:
    La capacidad de soñar es el motor del ser humano, incluso soñar con la justicia. Por otra parte, se lucha por los derechos, nadie los regala, nunca los regalaron. Al otro lado siempre estarán unos pocos privilegios y su avaricia. Éstos incluso usarán la violencia para mantener esos privilegios.
    El coste de la vivienda en España es un sinsentido dada la densidad de población del país, una consecuencia de todos esos muchos que quisieron hacerse ricos o “invertir” a costa de las necesidades de los demás.
    Lo malo no es que haya un lado malo y uno bueno, ni que a uno le toque el malo. Lo malo es que los que están en lado malo quieren estar en el lado bueno aunque sea a costa de otros del lado malo.

    Lo de las ondas telepáticas está demás.

  7. Alejandro:

    No es necesario usar baterías para tener una fotovoltaica en el techo. En la actualidad las instalaciones fotovoltaicas van normalmente conectadas a la red eléctrica. Si el propietario consume electricidad en ese momento, consume su propia electricidad. Si no consume, se vuelca a la red donde lo consumirá otro usuario.

    Claro que cuando no hay sol, el consumo hay que cubrirlo con otra cosa.

    Solo tiene sentido usar baterías en lugares aislados donde no hay linea eléctrica. Pero además de caras, hay que pensar la cantidad de ácido y plomo que contienen, porque realmente son baterías enormes si se quiere tener un poco de autonomía.

    El problema de la fotovoltaica es el precio, que sólo compensaba si había ayudas públicas.

    Ahora el precio de las fotovoltaicas ha bajado mucho y el de la electricidad está subiendo también. Estamos muy cerca de que resulte rentable instalarlas sin ayudas públicas. Es una gran noticia.

    Falta que el Gobierno actual se atreva a clarificar la situación legal de las fotovoltaicas, y creo que el futuro puede ser brillante.

    Hace poco visité Alemania y me impresionó la cantidad de instalaciones fotovoltaicas que hay instaladas allí. Gracias a esta comercialización masiva se ha conseguido bajar el precio a un 30% de lo que costaban hace unos 5 años.

    En España se ha instalado mucho, pero de forma desordenada, por culpa del terrible caos normativo del Gobierno anterior.

    Pero cuidado con echar las campanas al vuelo. Que sea económicamente rentable no lo hace más útil. Con la radiación solar que tenemos en España y la tecnología actual de silicio cristalino se producirían unos 0,5 kWh de electricidad diarios por cada m2 de captador fotovoltaico. Se necesitan muchos m2 para cubrir el consumo de una vivienda.

  8. Pocosé:

    Y que tal un calentador solar de agua, un tejado fotovoltaico, unos mini aereogeneradores, un compresor de aire para cuando sobre la energia, una casa termo eficiente, un condensador luminoco para cocinar los dias soleados, unos electrodomesticos eficientes, una iluminación led, una conciencia de ahorro energetico… …
    ¿Sabeis si se han hecho los calculos de coste/financición/rentabilidad?

  9. tomás:

    Estimado Pocosé:
    Me ha alegrado mucho leerte por aquí otra vez. Y estoy totalmente de acuerdo con tus propuestas. Son muy dignas de tener en cuenta, pero a tu última pregunta me temo que haya que contestar que no; al menos no tengo conocimiento de ello. Y pregunto ¿por qué no hacerlos?
    Imagino que cada edificio será un caso particular, pero se puede partir, p. ej. en esos mini-aerogeneradores de unas cuantas potencias estándar, sean 10, 20, 40 etc. y tomar la más aproximada por exceso y, previo estudio colocar uno, dos, tres, etc. en los lugares de mayor resistencia, repartiendo las cargas verticales y los esfuerzos horizontales. También escoger una u otra combinación de soluciones de captación de energía.
    Así con todo lo demás.
    Respecto a lo de una casa termoeficiente, hace tiempo que noté que muchas están mal proyectadas en el sentido de que la estética o quizá el utilizar un proyecto ya resuelto lo mismo para la necesidad de una posición del edificio que para otra, hace que haya ventanas mal orientadas sin necesidad. Mi casa sufre ese defecto. Una habitación es heladora porque está orientada al norte cuando podría, sin problema alguno estarlo al oeste. También sucede esto en la casa de mi padre. Otra ventana da al oeste cuando podría dar al sur. Pero no se puede modificar sin un permiso del ayuntamiento que no se va a obtener para cada piso por la cuestión estética que prima sobre la economía energética.
    Esto que he contado podría dar mucho juego a la economía, pues con una simples leyes -y quizá ayudas o desgravaciones-, que apoyasen el mejorar lo que comentas y lo que apunto, habría trabajo para muchas personas. Un trabajo que sería inversión para ahorrar, que es la mejor de las inversiones, sobre todo en un país como el nuestro.
    Cuando hablo de leyes me estoy refiriendo en especial a las que resolvieran los casos de vecinos no cooperativos, bien por imposibilidad económica o por simple -digamos- poco interés comunitario.
    Recibe un cordial saludo junto con mi placer por volver a charlar contigo. Un fuerte abrazo.

  10. David:

    ¿Se podrían construir baterías acumuladoras, que no necesitasen ácido corrosivo ni plomo? Sería fantástico que no tuviesen el peligro de derrames de ácido ni usasen materiales tóxicos. Por otro lado estaría bien que tuviese una vida útil muy larga y gran capacidad de acumulación. Quizás lo más parecido podría ser en el futuro anillos superconductores, que guarden el flujo eléctrico en su interior y puedan liberarlo poco a poco de alguna forma, aunque quizás también puedan haber otras formas válidas y posibles antes de que podamos tener depósitos acumuladores de electricidad superconductores trabajando a temperatura ambiente, visión muy lejana aún, o que sea válida junto con estos últimos.

    Igualmente, ¿sería útil tener materiales semejantes a los semiconductores actuales, que pudiesen trabajar con superconductividad? Aunque sólo fuese como dispositivos emisores de luz LED y para aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica, de forma más eficiente que los paneles semiconductores actuales. En ordenadores o cerebros electrónicos ya tendríamos transistores Josephson con superconductores, o quizás ordenadores ópticos igual de eficientes que los superconductores y orgánicos, no haría falta un semiconductor trabajando con súper conductividad.

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