La energía solar

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La energía solar térmica . Central solar de espejos cilindro-parabólicos . Central solar de torre . La energía fotovoltaica . El efecto fotovoltaico



LA ENERGÍA SOLAR
Una hora de radiación solar recibida por la Tierra representa el consumo anual mundial de electricidad

El Sol constituye una fuente de energía considerable. La energía solar recibida anualmente a nivel de la Tierra corresponde a aproximadamente 7 000 veces la energía consumida por la humanidad. Se trata de una energía lumínica llevada por los fotones provenientes de las reacciones de fusión nuclear del hidrógeno que ocurren en el interior del Sol. Puede cubrir ampliamente nuestras necesidades energéticas, siempre y cuando se pueda convertir eficientemente y a bajo costo. Es precisamente el desafío del desarrollo actual de los dos principales usos de la energía solar: el sector térmico y el sector fotovoltaico. El primero utiliza directamente el calor del Sol y el segundo, sin duda más conocido del público en general, convierte la radiación solar en electricidad.

1/ La energía solar térmica

En 1878, durante la Exposición Universal que tiene lugar en París, Augustin Mouchot, profesor de matemáticas, presenta un receptor solar de 20 m² y obtiene una medalla de oro. Este antiguo maestro, y posteriormente investigador, estaba convencido de que el carbón como recurso iba a agotarse y que el Sol sería la energía del futuro. Cuatro años después, su asociado, el ingeniero Abel Pifre, utiliza un concentrador solar del mismo tipo para activar una máquina de vapor que permite imprimir un periódico.
Hoy en día, en todo el mundo, casi setenta centrales solares de concentración utilizan este mismo principio para calentar y vaporizar un fluido que activa una turbina para producir electricidad. Desde principios de los años 2000, este sector llamado de energía solar de concentración, o también de energía solar termodinámica, está en pleno auge a nivel internacional, bajo el impulso destacado de España.
Francia ha sido pionera en las investigaciones llevadas a cabo sobre la energía solar de concentración. En 1949, el químico Félix Trombe empieza la construcción de un horno solar en Mont-Louis, en la región francesa de los Pirineos Orientales. Luego, dirige, en Font-Romeu, la construcción de su “hermano mayor”, el horno solar de Odeillo. Este horno que se puso en funcionamiento a principios de los años 70, sigue funcionando y siendo una referencia mundial. Sus 63 espejos orientables y su espejo parabólico de 54 metros de ancho y 40 metros de alto, permiten concentrar 10 000 veces la radiación del Sol y alcanzar así temperaturas de hasta 3 500°C en unos segundos, simulando condiciones extremas que sirven para estudiar nuevos materiales y producir combustibles sintéticos.
En 1979, el CNRS y EDF (Electricidad de Francia) inician, cerca de Odeillo, la construcción de la central solar de torre Thémis que empieza a producir electricidad a partir de 1983. Pero en un contexto nacional que promueve la energía nuclear, Thémis es detenida tres años más tarde. El bajo potencial solar de Francia continental se usa principalmente para justificar este cierre: las centrales solares de concentración solo son rentables en regiones con fuerte insolación directa, agrupadas en el llamado cinturón solar. Sin embargo, incluso en estas regiones soleadas privilegiadas, puede ocurrir que las nubes pasen sobre las centrales…
Para garantizar una producción de electricidad continua a lo largo del día, estas centrales queman, puntualmente, combustibles secundarios para mover las turbinas: fuel, gas natural, leña. Por otra parte, algunas proporcionan electricidad después del atardecer mediante grandes depósitos de sales fundidas que conservan el calor durante varias horas. Para los próximos 10 años, se proyectan también soluciones de almacenamiento por medio de cerámicos refractarios o materiales de cambio de fase. A más largo plazo, las centrales de concentración podrían producir, no electricidad sino combustibles a base de dihidrógeno para alimentar los tanques de nuestros coches. La cuestión del almacenamiento de la energía solar ya no se plantearía, solo se necesitaría llenar inmensos depósitos con estos combustibles solares.
El almacenamiento es también uno de los desafíos de otro sector, el llamado de energía solar térmica de baja temperatura. A través de captadores generalmente instalados en los tejados, permite suministrar agua caliente a los edificios para sus necesidades domésticas y calefacción. En 1891, los primeros calentadores de agua solares se comercializaron con éxito en Estados Unidos. En 1941, más de la mitad de las viviendas de Miami estaban equipadas con dichos calentadores. Pero el estallido de la guerra detuvo esta industria que nunca arrancó realmente por la caída de la tarifa de electricidad.
En Europa, la utilización de la energía solar térmica de baja temperatura se desarrolló después de las dos crisis petroleras de los años 70. Veinte años después, con la toma de conciencia del impacto de las energías fósiles sobre el clima, dicha energía suscita un interés renovado. Desde 2008, el sector se ha vuelto a enfrentar con una crisis vinculada en parte al contexto económico, pero también a la caída de los estímulos financieros de los estados. Una instalación doméstica de agua caliente sanitaria solar requiere cierta inversión inicial por parte de los hogares. Su vida útil supera los 20 años y, en Francia, la rentabilidad es de 6 a 12 años. En otros países, como Alemania o Polonia, estas instalaciones se rentabilizan más rápidamente ya que los precios de la electricidad y del gas son más elevados. Dinamarca superó este obstáculo económico construyendo unas veinte centrales solares térmicas de baja temperatura que alimentan redes de calefacción urbana. El futuro del sector depende también de la investigación y del desarrollo sobre soluciones de almacenamiento inter-estacional, que permiten calefaccionarse en invierno con el calor captado en verano. El desafío es importante, ya que en 2009, el consumo de energía relacionado con la calefacción de los edificios residenciales y terciarios representaba el 25 % del consumo final de energía de Francia. En los próximos decenios veremos el desarrollo de aplicaciones industriales provenientes de la energía solar térmica de baja temperatura y la aparición de instalaciones dedicadas a la producción de frío. Desde hace unos veinte años, se utilizan captadores solares térmicos conectados a acondicionadores de aire para refrigerar hoteles, aeropuertos, oficinas, etc. Dichas instalaciones son aún costosas, pero las perspectivas del mercado son grandes, en particular en los países del Sur.
Expertos: Gilles Flamant - PROMES – Procédés Matériaux et Energie solaire (Procesos Materiales y Energía solar) – Perpignan, Francia; Philippe Papillon – CEA INES Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives - Institut National de l’Energie Solaire (Comisariado francés de Energía Atómica y energías alternativas – Instituto Nacional francés de Energía solar) – Grenoble, Francia

La energía solar térmica de baja temperatura
Los captadores solares de baja temperatura utilizan tanto la radiación solar directa como la radiación solar difusa. Clásicamente, permiten proporcionar agua caliente y calor, o frío, a las viviendas. En los países cálidos, los paneles de tipo “alfombra solar” son generalmente suficientes. En este caso, el agua circula por una red de tubos negros paralelos y se calienta lentamente. En los países templados, se utilizan más los captadores planos de vidrio. Captada por el vidrio superior, la radiación solar calienta por efecto invernadero una red de tubos metálicos que luego transfiere su calor a un fluido termoportador compuesto por agua y anticongelante. Luego, este fluido de temperatura máxima de salida de 80/90°C, es dirigido hacia un balón en el cual transmite sus calorías al agua que circula por un serpentín metálico interno. El fluido termoportador puede también ser enviado a las losas de suelo radiante que están bien adaptadas a la temperatura de salida del fluido y cuya inercia se aprovecha almacenándola como calor. En cuanto a los captadores de tubos de vacío, alcanzan temperaturas del orden de 110°C. Como son más rendidores pero también más caros, se instalan sobre todo en edificios terciarios que necesitan más calefacción: oficinas, hospitales, aeropuertos, hoteles, etc. Además, estos captadores pueden permitir refrigerar los edificios por medio de sistemas de climatización que convierten el calor del agua en aire frío. A diferencia de la calefacción, en este caso se adecuan los períodos de insolación y las necesidades.
Experta: Lingai LUO Laboratoire de Thermocinétique de Nantes (LTN) (Laboratorio de termocinética de Nantes, Francia)


Funcionamiento de una central solar de espejos cilindro-parabólicos
Una central solar de concentración de tipo “espejos cilindro-parabólicos” está constituida por hileras paralelas de largos espejos huecos rectangulares. Las hileras están generalmente orientadas norte-sur. Los espejos basculan según un eje este-oeste para seguir la trayectoria del Sol. Su curvatura permite concentrar como máximo hasta 100 veces los rayos del Sol sobre un tubo longitudinal dispuesto a lo largo de la instalación. En el interior de este tubo circula un fluido termoportador que capta y transporta el calor. La temperatura del fluido aumenta progresivamente hasta alcanzar alrededor de 400°C. Luego el procedimiento es el mismo que para otros tipos de centrales: el calor del fluido termoportador se transmite al agua, ésta se vaporiza, mueve una turbina que activa un alternador produciendo electricidad. Algunas centrales comportan también inmensos depósitos de sales fundidas que permiten almacenar el calor durante varias horas y, por consiguiente, producir electricidad durante la noche o cuando está nublado.

Funcionamiento de una central solar de torre
Una central solar de concentración de tipo «torre solar» consiste en una torre y un campo de espejos planos y ligeramente cóncavos. Dichos espejos, llamados helióstatos, giran individualmente sobre dos ejes para seguir la trayectoria del Sol y así reflejar los rayos solares en una zona situada en la parte superior de la torre. Por lo tanto, la concentración no es lineal, como en el caso de las centrales de espejos cilindro-parabólicos, sino puntual. También es mucho más grande: la parte superior de la torre recibe aproximadamente 1 000 veces más radiación que sin helióstatos. El fluido termoportador es conducido a la parte superior de la torre donde circula y recoge el calor. De esta forma, se calienta hasta una temperatura de unos 500°C, y luego baja hacia un intercambiador de calor. Luego, el procedimiento es el mismo que para otros tipos de centrales: el calor del fluido termoportador se transmite al agua, ésta se vaporiza y mueve una turbina que activa un alternador produciendo electricidad. Algunos sistemas, tales como los de sales fundidas, por ejemplo, permiten almacenar el calor durante varias horas y por lo tanto, producir electricidad durante la noche o cuando está nublado.

Diaporama :
En 2013, más del 90% de las centrales solares de concentración productoras de electricidad en el mundo, se basan en la primera tecnología que fue comercializada, es decir la de los concentradores cilindro-parabólicos. Sin embargo, la proporción de centrales solares de concentración de torre debería aumentar en las próximas décadas porque permiten alcanzar temperaturas más elevadas (500°C en vez de 400°C para las de espejos cilindro-parabólicos) y tienen un potencial de almacenamiento de calor mucho mayor. Se están desarrollando también centrales solares de espejos de Fresnel, variante de la tecnología de los concentradores cilindro-parabólicos. Estas alcanzan una temperatura más baja (300°C) pero la tecnología que utilizan es más asequible para muchos países del Sur.

1-El complejo de las 9 centrales de espejos cilindro-parabólicos de SEGS (EE. UU.) El complejo de Solar electric generating systems (SEGS - Sistema de Generación de Energía Solar) está formado por 9 centrales cilindro-parabólicas puestas en servicio entre 1984 y 1990, en el desierto de Mojave en California (Estados Unidos). Hasta junio de 2013, este complejo, que es el más antiguo del mundo, seguía siendo el más potente, con una capacidad instalada de 354 MW. Si se yuxtapusieran sus aproximadamente 900 000 espejos y tubos receptores, se extenderían sobre 370 km. Cada año, unos 3 000 se rompen por el viento. Tanto los espejos, como los tubos colectores, suelen ser sustituidos por nuevas tecnologías, permitiendo así que las centrales sean renovadas con el tiempo. Para mantener un rendimiento óptimo, se utiliza regularmente un sistema automático de lavado para quitar los granos de arena que se depositan en la parte reflejante de los espejos.

2- La central de espejos cilindro-parabólicos de Andasol-1 (España) Con una capacidad de 50 MW, Andasol-1, instalada en el sur de España en 2008, es la primera central de espejos cilindro-parabólicos puesta en funcionamiento en Europa. Sus 624 líneas de espejos cubren una superficie de 51 ha, o sea el equivalente de 70 terrenos de fútbol. Andasol-1 es también la primera central del mundo dotada de una capacidad de almacenamiento de calor por sales fundidas. Dos depósitos de 36m de diámetro y 14m de altura, que contienen 28 000 toneladas de sales de nitrato líquidas, permiten superar la carencia de sol durante un tiempo máximo de 7,5 horas. Se pusieron en funcionamiento dos otras centrales de 50 MW en el mismo lugar situado a 1 100m de altitud: Andasol-2 en 2009 y Andasol-3 en 2011.

3- La central de espejos cilindro-parabólicos de Shams-1 (Emiratos Árabes Unidos) Cuando se puso en funcionamiento en marzo de 2013, Shams-1 se convirtió en la primera central solar de concentración en actividad en el Medio Oriente y la más potente del mundo, con una capacidad de 100 MW. Situada en el emirato de Abu Dabi en los Emiratos Árabes Unidos, co-explotada por Total y el grupo industrial español Abengoa, tiene más de 258 000 módulos cilindro-parabólicos distribuidos en 768 líneas de 150m de largo. Un sistema de enfriamiento seco permite condensar el vapor de agua luego de pasar por las turbinas, reduciendo, por consiguiente, el consumo de agua, criterio que resulta importante en esta región desértica. Shams-1 tiene también dos quemadores de gas que permiten sobrecalentar el vapor de agua para aumentar el rendimiento del ciclo termodinámico y por lo tanto la cantidad de electricidad producida. Siete quemadores más pequeños permiten calentar el fluido termoportador constituido por aceite sintético para la activación de la central por la mañana y cuando está nublado.

4- La central solar combinada con una central térmica clásica de Ain Beni Mathar (Marruecos) La central de Ain Beni Mathar de Marruecos es una de las cinco centrales solares híbridas del mundo. Sus 56 líneas de concentradores cilindro-parabólicos generan una potencia de 20 MW que, de día, sirve para sobrecalentar el vapor de agua producido por el ciclo vapor de una central de ciclo combinado de gas1 de una potencia de 450 MW. A diferencia de otras centrales, la energía solar no es el recurso principal sino el secundario. En los próximos años, Marruecos espera aprovechar su potencial solar excepcional y reducir, por consiguiente, su gran dependencia energética vinculada a bajas reservas de hidrocarburos, limitando al mismo tiempo sus emisiones de gases de efecto invernadero. Desde mayo de 2003, se construye una central de espejos cilindro-parabólicos de 160 MW cerca de Uarzazate, la cual se estima poner en funcionamiento en 2015. Antes de 2020, se prevé una fase de extensión del sitio que permitiría aumentar su capacidad total a 500 MW.

5- La futura central solar de espejos de Fresnel de Llo (Francia) En 2014, una central solar de 9 MW está en construcción en Llo, en los Pirineos Orientales (Francia). Basada en la tecnología de los espejos de Fresnel, es construida por la empresa francesa CNIM antiguamente llamada “Constructions navales et industrielles de la Méditerrannée” (Construcciones navales e industriales del Mediteráneo). Los espejos ligeramente cóncavos y rectangulares, capaces de pivotar alrededor de un eje horizontal de tal modo que sigan la trayectoria del Sol, se colocarán en paralelo sobre 25 líneas de 340m de largo. Estos espejos son más fáciles y baratos de fabricar que los espejos cilindro-parabólicos. Sin embargo, la temperatura alcanzada por el fluido termoportador es más baja: 300°C como máximo. El fluido estará constituido por agua para evitar problemas relacionados con la seguridad y el medio ambiente que se plantean con la utilización de aceites sintéticos (inflamables) y sales fundidas (corrosivas). Otra central con la misma tecnología (12 MW previstos) está en proyecto en Francia. Será construida por la sociedad Solar Euromed en Alba Nova, Córcega. Desde 2012, dos centrales de espejos de Fresnel ya producen corriente eléctrica en España y Australia. Además, para 2013, Australia programó una puesta en funcionamiento de otra central que utiliza esta tecnología.

6- La torre PS10 de Solnova (España) Construida cerca de Sevilla, en el sur de España, Planta Solar 10 (PS10) es la primera central solar de concentración de torre puesta en funcionamiento en Europa, en 2007. También es la primera central de torre que produce electricidad de manera comercial. Sus 624 espejos móviles (helióstatos) que tienen una superficie de 120 m2 concentran los rayos en la parte superior de una torre de 115m de altura, generando una potencia de 11 MW. Construida en el mismo sitio, con 160m de altura y rodeada de 1 255 helióstatos, PS20 genera una potencia de 20 MW desde 2009. En 2010, se pusieron en funcionamiento tres centrales solares de espejos cilindro-parabólicos de una potencia total de 150 MW a menos de 3 km de distancia de estas dos torres, en el seno del complejo solar de Solnova.

7- La torre Gemasolar (España) Puesta en funcionamiento en 2011, cerca de Sevilla, y con una potencia de 20 MW, Gemasolar es la tercera y más reciente de las centrales de torre construidas en España. Sus 2 650 espejos pivotantes representan una superficie de 120 m2. Concentran la radiación solar en la parte superior de una torre de 140m donde el fluido termoportador, compuesto por sales fundidas, puede alcanzar una temperatura de 500°C. Gemasolar es la primera central solar del mundo que proporciona electricidad las 24 horas del día, sin utilizar otras fuentes de energías (gas, fuel, carbón, etc.) gracias al depósito de sales fundidas que permite paliar la carencia de sol hasta 15h. Sin embargo, el funcionamiento de 24 horas al día se limita al verano. El resto del año, la central funciona aproximadamente 20h al día.

8- Proyecto Ivanpah (tres torres en construcción en EE. UU.) Entre octubre de 2010 y diciembre de 2013 se construyeron tres centrales solares de torre de una potencia total de 377 MW sobre el lago desecado de Ivanpah, en el desierto de Mojave, California. El sitio cubre más de 1 400 hectáreas. Los 170 000 espejos orientables de 15 m2 son funcionales desde febrero de 2014.

9- Thémis, futuro prototipo de una central de alto rendimiento (Francia) Construida a partir de 1979 en los Pirineos Orientales, Thémis es el precursor de la central solar de torre española Gemasolar. En efecto, es la primera central de torre en el mundo que utilizó una sal fundida como fluido termoportador. Conectada a la red eléctrica nacional francesa desde 1983, fue cerrada tres años después porque los precios del petróleo volvieron a bajar y Francia eligió la energía nuclear. Desde 2004, gracias al apoyo de la región de Languedoc-Roussillon y del Consejo departamental de los Pirineos Orientales, el proyecto Pégase del CNRS le dio un nuevo impulso. En 2013, más de 100 espejos móviles de 52 m² ya estaban en funcionamiento de nuevo. El receptor solar se está construyendo en la parte superior de una torre de 105 m de altura. Su diseño necesitó numerosas investigaciones, en particular para elegir los materiales: el receptor tendrá que soportar temperaturas cercanas a 800°C y transferir eficazmente el calor al fluido termoportador, constituido por aire comprimido. También se implantará una central de gas en el sitio. En efecto, el objetivo de Pégase es experimentar un prototipo de central de una potencia total de 1,8 MW, de alto rendimiento, hibridando una central solar y una central de gas. Con el fin de aumentar su temperatura hasta 1 000-1 200°C, se introducirá en la cámara de combustión de una turbina de gas, aire comprimido precalentado a 800°C, en el receptor solar. Esta tecnología abre paso a la vía de los ciclos combinados que permiten alcanzar un rendimiento del ciclo termodinámico de cerca de un 55% frente a un 30-33% actual.
Experto: Gilles Flamant – PROMES - Laboratoire PROcédés, Matériaux et Energie Solaire-CNRS (Laboratorio de Procesos Materiales y Energía Solar) – Font Romeu-Odeillo, Francia

El almacenamiento de calor asociado a la energía solar termodinámica
El Sol calienta de día pero las centrales solares termodinámicas también deben producir electricidad de noche. Asimismo, las turbinas tienen que funcionar también cuando está nublado. En los 10 próximos años se proyectan dos soluciones, basadas en el almacenamiento del calor de alta temperatura. La primera utiliza la capacidad de los materiales para aumentar su temperatura sin cambiar de estado. De esta forma, el calor se almacena bajo la forma llamada sensible. Actualmente varias decenas de centrales solares termodinámicas almacenan el calor de esta manera en inmensos depósitos llenados con sales de nitratos que pueden mantenerse líquidos de 250 a 560°C. Los mismos permiten paliar la ausencia de sol hasta 15h. Sin embargo, este tipo de almacenamiento no será viable a largo plazo ya que la producción mundial de sales de nitratos es demasiado baja para responder al incremento previsto del número de centrales en los próximos años. Además, ningún otro líquido disponible en abundancia, no peligroso, no tóxico, sin factor de dependencia para con los países productores, puede sustituir estas sales. Se investiga sobre la utilización de sólidos, y particularmente de cerámicas fabricadas a partir de desechos industriales (como las cenizas de incineradores y de centrales de carbón), metalúrgicos o de amianto. Aunque esos residuos son abundantes y actualmente no tienen utilidad, pueden almacenar el calor bajo la forma sensible hasta 1 100°C, una vez transformados en cerámicas. Se están llevando a cabo ensayos industriales para evaluar su eficacia, una vez integrados a los depósitos donde circulan los fluidos termoportadores de las centrales solares, por ejemplo como placas onduladas de varios centímetros de espesor o de estructuras en nido de abeja. La segunda solución de almacenamiento necesita que los materiales sean capaces de cambiar de estado a una temperatura determinada. Por ejemplo, cuando los nitratos de potasio pasan del estado sólido al líquido a aproximadamente 300°C, captan el calor de su medio ambiente. La energía no se pierde y se almacena pues en el líquido bajo forma de calor, llamado latente. Cuando estas sales vuelven a solidificarse y, por ejemplo, la temperatura del medio ambiente ha bajado, restituyen la energía bajo forma de calor que puede ser captado por el líquido termoportador. Actualmente se están llevando a cabo ensayos de laboratorio y también industriales sobre diferentes materiales (carbonatos, nitratos, parafinas², sulfatos, etc.). En consecuencia, la cantidad de materiales es inferior a la necesaria para un almacenamiento por calor sensible.
Experto: Xavier PY - PROMES - Laboratoire PROcédés, Matériaux et Energie Solaire-CNRS (Laboratorio de Procesos Materiales y Energía Solar) – Perpiñán, Francia

El almacenamiento de calor para la vivienda
En función de las regiones francesas, los captadores solares de baja temperatura cubren entre un 40 y un 80% de las necesidades de agua caliente y entre un 25 y un 60% de aquellas de agua caliente y calefacción sumadas. Con el objeto de alcanzar una cobertura solar total, se investigan y se ensayan en los laboratorios, soluciones de almacenamiento de calor sobre prototipos a diferentes escalas, durante varios meses. La idea es almacenar el exceso de energía térmica producido en verano para restituirlo en invierno, en particular para la calefacción de los edificios. Para ello, los investigadores se orientan a los procesos termoquímicos que ponen en juego reacciones reversibles que, alternativamente, absorben el calor (reacciones llamadas endotérmicas) y luego lo restituyen (reacciones llamadas exotérmicas). Las reacciones previstas son las deshidrataciones, en verano, y las hidrataciones, en invierno. Los reactivos pueden ser sólidos o líquidos. La duración de almacenamiento es ilimitada: basta guardar los componentes deshidratados en un depósito y el agua nuevamente condensada en otro. Cuando se ponen en contacto nuevamente, varios meses después, el calor se restituye y permite calefaccionar directamente el aire de la vivienda o alimentar con agua caliente un sistema de suelo radiante. También se puede producir agua caliente para las necesidades domésticas. A la hora de elegir los reactivos, existen importantes restricciones: no deben ser tóxicos, deben tener un bajo impacto ambiental y ser baratos. La densidad energética también es un criterio clave para tener depósitos de tamaño razonable, de aproximadamente 5-10 m3. También son ejes de investigación el diseño de reactores rendidores y el desarrollo de sistemas de calefacción que permitan aprovechar al máximo el calor extraído del almacenamiento.
Expertos: Kevyn Johannes, CETHIL-Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Centro de Energética y de Térmica de Lyon, Francia; Lingai Luo - Laboratoire de Thermocinétique de Nantes (LTN) (Laboratorio de Termocinética de Nantes, Francia); Gwennyn Tanguy – INES-Institut National de l'Énergie Solaire (Instituto Nacional francés de la Energía Solar)

La producción de combustibles solares
Hoy en día, la concentración de los rayos solares en la parte superior de una central de torre en actividad permite alcanzar una temperatura de 500°C. Pero en el sector de la investigación y del desarrollo, los investigadores logran obtener temperaturas de 750-800°C y esperan alcanzar próximamente hasta 900-1 000°C. Tales temperaturas permiten considerar nuevas aplicaciones como, en particular, llevar a cabo reacciones químicas a muy alta temperatura para producir combustibles a base de dihidrógeno (H2). Estos “combustibles solares” son capaces de hacer circular nuestros vehículos sin emitir gases de efecto invernadero, ni de partículas contaminantes. Serían fabricados en reactores situados en la parte superior de las centrales solares de torre que, en tal caso, ya no producirían electricidad. Se proyectan diferentes vías de fabricación en centrales solares que entonces ya no serían termodinámicas sino termoquímicas. Estas vías son distintas por los precursores de base que utilizan. El primer precursor considerado es el metano (CH4), un hidrocarburo presente de manera abundante en el gas natural, y el biogás proveniente de la fermentación de materias animales o vegetales. Se necesitan temperaturas entre 1 000 y 1 500°C para extraer el dihidrógeno, pero también carbono sólido que puede ser aprovechado en la fabricación de neumáticos, pilas, baterías, etc. El segundo precursor es el agua (H2O). La utilización de reacciones intermedias a base de óxidos metálicos permite hoy en día disminuir de 3 000 a 1 500°C la temperatura requerida para romper la molécula. La tercera vía moviliza dos precursores: el agua y el dióxido de carbono (CO2). Llevados a una temperatura de aproximadamente 1 500°C, se transforman en “sintegas” o “gas de síntesis”, un compuesto de monóxido de carbono (CO) y de dihidrógeno (H2) que se puede fácilmente transformar en metanol (CH3OH) o en otros combustibles de síntesis (como el dimetiléter, la gasolina, el gasóleo, el queroseno) directamente utilizables en los motores de los coches actuales. Esta vía permite también reciclar las emisiones de CO2 de las fábricas de cemento, refinerías o centrales térmicas de carbono. También se llevan a cabo investigaciones para utilizar la biomasa, como la madera, para fabricar sintegas en reactores solares, a temperaturas cercanas a 800-1000°C.
Experto : Stéphane ABANADES PROMES-CNRS – Odeillo Font-Romeu, Francia

2/ La energía fotovoltaica
En 1839, el físico Edmond Becquerel descubre el efecto fotovoltaico. Este fenómeno se utiliza en las células solares fotovoltaicas para producir electricidad directamente a partir de la radiación solar. En 1905, Albert Einstein propone una explicación teórica mediante el concepto de “cuantos de energía” llevados por partículas de luz, denominadas más tarde fotones. En 1954, las primeras células fotovoltaicas eficaces aparecen en los laboratorios Bell, en Estados Unidos. Se utilizaron cuatro años más tarde para alimentar uno de los dos emisores de Vanguard I, el segundo satélite estadounidense lanzado con éxito. Desde entonces, se ha impuesto el uso espacial de módulos fotovoltaicos dotados de las tecnologías más eficientes. Su alto precio se ve compensado por ventajas irrefutables: autonomía, eficiencia y vida útil. Tras la primera crisis del petróleo en 1973, se ha contemplado como alternativa al agotamiento programado de los recursos fósiles, la producción de electricidad a gran escala mediante células fotovoltaicas. Las investigaciones se multiplican entonces con el objetivo de aumentar el rendimiento de las células y de reducir su precio. Esta dinámica se ha frenado rápidamente con la elección de la energía nuclear en numerosos países y, luego, por la reacción a la crisis del petróleo, ya que las energías fósiles vuelven a abaratarse en los años 80. En aquella época, el uso de la energía fotovoltaica se limita a sitios aislados: faros, balizas marítimas, plataformas petroleras, antenas de relevo, estaciones meteorológicas o mercados especializados como el de las calculadoras. En los años 1990 y 2000, en un contexto marcado por el surgimiento de las preocupaciones medioambientales y climáticas, Japón y Alemania cambian la situación estableciendo políticas activas. La instauración de tarifas de compra de la electricidad de origen fotovoltaico será el elemento desencadenante del auge del sector a principios de los años 2000. Otros países como Francia, en 2006, toman esta vía. Se pone en marcha la máquina industrial. Entre 2000 y 2010 se multiplica por 100 la producción mundial de paneles. El precio de los paneles de silicio cristalino, que representan el 90% de las ventas, disminuye de forma espectacular por efecto de escala. Al mismo tiempo, se desarrollan otras tecnologías como el sector de las capas delgadas, como por ejemplo las CIGS, compuestas por cobre, indio, galio y selenio. Su rendimiento en el caso de los módulos industriales es del 7-14% comparado con el de los módulos de silicio cristalino que alcanza un 14-20%. Se compensa esta eficiencia menor por costos de producción reducidos vinculados a procesos de fabricación más simples: basta con depositar capas finas de materiales sobre sustratos de vidrio y no de recortar lingotes de silicio obtenidos a muy alta temperatura. Nuevas células, potencialmente aún más baratas, deberían aparecer en el mercado de aquí al final del decenio, tales como las células orgánicas y las células sensibilizadas por colorante. En 2013, sus rendimientos récord en el laboratorio eran respectivamente del 12 y del 14%. Se pueden fabricar mediante depósitos a baja temperatura y a presión ambiente, lo que permite considerar aplicaciones sobre soportes flexibles de plástico. Pero es necesario superar aún obstáculos tecnológicos antes de pasar a una producción industrial. ¿Cuál será la tecnología ganadora dentro de 10 años en esta carrera por los rendimientos y los bajos costos? Podría haber tantos ganadores como nichos económicos: − paneles de silicio y paneles en capas delgadas para equipar durante largo tiempo los tejados de los edificios; − células multiunión con un rendimiento récord del 44% para usos espaciales y en granjas solares, acoplándolas con ópticas de concentración. − células orgánicas o sensibilizadas por colorante, integradas a las fachadas de los edificios, a las paradas de autobuses, o utilizadas para recargar smartphones y tabletas. Además de este auge de la energía fotovoltaica en nuestra vida diaria, se perfila un cambio importante para el 2020: la llegada de la paridad de red. El precio de la electricidad solar fotovoltaica será entonces idéntico al precio de la electricidad producida por la red para los particulares, como ocurre parcialmente en Alemania o en el sur de Italia. Los investigadores ya están trabajando sobre células que podrían revelarse aún más eficientes: células que utilizan cristales fotónicos, bosques de nanocables, puntos cuánticos, etc. Un “boom” de conceptos que moviliza a los laboratorios. Pero los investigadores permanecen atentos a los sobrecostos generados, dedicándose al mismo tiempo a mejorar las tecnologías existentes manteniéndose en contacto estrecho con la industria.
Experto: Daniel Lincot- IRDEP-Institut de Recherche et Développement sur l'Énergie Photovoltaïque (Instituto de investigación y desarrollo sobre la energía fotovoltaica, Francia)

El funcionamiento de una célula fotovoltaica
El efecto fotovoltaico se utiliza en las células fotovoltaicas para producir electricidad a partir de la radiación solar. Para fabricar las células fotovoltaicas se utilizan semiconductores que son materiales con propiedades particulares. Y esto por dos razones: − absorben fácilmente la luz − permiten generar un campo eléctrico y una tensión eléctrica Este campo eléctrico se obtendrá superponiendo dos capas dopadas con un semiconductor, en general silicio; “dopadas” es decir en las cuales se introdujeron “elementos perturbadores” llamados “impurezas” que mejoran la conductividad eléctrica. Así, una de las capas de silicio se dopa con átomos de fósforo. El fósforo es un átomo que posee más electrones en su periferia que el silicio. Uno de estos electrones no participa en las uniones, por lo que está “libre” y puede desplazarse. El dopaje introduce en esta capa átomos capaces de liberar electrones móviles: se habla de capa N, ya que la carga móvil es negativa. En cuanto a la otra capa del semiconductor, está dopada con boro que es deficitario en electrones. El boro es un átomo que posee menos electrones en su periferia que el silicio, le falta un electrón para que se establezcan las uniones. El boro captará entonces un electrón en el resto del material. Este electrón deja tras él un “hueco” que es móvil y de carga positiva. El dopaje introduce en esta capa átomos capaces de liberar huecos móviles: se habla de capa P, ya que la carga móvil es positiva. Los electrones y los huecos se desplazan por difusión en estas dos capas. Cerca de su interfase, la difusión conlleva una recombinación entre huecos y electrones: los electrones y los huecos móviles se neutralizan. Este fenómeno produce una zona eléctricamente no neutra de átomos de fósforo, cargada positivamente y una zona eléctricamente no neutra de átomos de boro, cargada negativamente. Se obtiene así un campo eléctrico en el interior del semiconductor y esta zona se denomina unión P-N. Este campo eléctrico va acompañado de la aparición de una diferencia de potencial eléctrico entre la zona N y la zona P. Cuando los rayos del Sol impactan una célula fotovoltaica, sobre la cual se han dispuesto dos bornes, los fotones de la luz transmiten su energía a los electrones que son arrancados de los átomos en los cuales dejan huecos. Los electrones y los huecos así formados tendrán tendencia a recombinarse, pero cuando el fenómeno tiene lugar en el interior o en la cercanía de la unión P-N, por el contrario, el campo eléctrico contribuirá a separar las cargas positivas y negativas. De esta manera, los electrones son repelidos hacia la capa N y los huecos hacia la capa P. Los electrones que intentan combinarse con los huecos se ven entonces obligados a pasar por un circuito exterior para alcanzarlos, creando así una corriente eléctrica continua que se denomina fotocorriente. Los electrones son liberados bajo la tensión creada en la unión P-N que se denomina fototensión. El producto de ambas corresponde a la potencia eléctrica liberada por la célula que transforma así directamente una parte de la energía lumínica en energía eléctrica. El cociente entre la energía lumínica y la energía eléctrica se denomina eficiencia de conversión energética de la célula.
Experto Daniel Lincot

La energía fotovoltaica de silicio
Más del 85% de los módulos vendidos en el mundo en 2012 estaban compuestos por silicio cristalino. El silicio constituye el segundo elemento más abundante de la corteza terrestre después del oxígeno y se extrae esencialmente de la sílice de la arena y de los silicatos de las rocas. Purificado hasta un grado de pureza que puede alcanzar el 99,99999999%, el silicio es cristalizado luego en bloques cilíndricos (silicio mono cristalino) o cúbicos (silicio multicristalino) de varios centenares de kilos, luego recortado en lingotes y por último, en plaquetas de 180-200 micrómetros de espesor. Este proceso de fabricación es complejo y necesita muy altas temperaturas (alrededor de 1 500°C), lo que conlleva tiempos de retorno energético de estas células de 2 a 3 años entre el norte y el sur del territorio metropolitano francés. A fin de consumir menos materia y energía, se están llevando a cabo numerosas investigaciones en los laboratorios académicos e industriales: fabricación de lingotes de muy gran tamaño (> 600 kilos) de forma cúbica utilizando gérmenes de silicio monocristalino y controlando la temperatura de fusión y de enfriamiento; extracción de bandas de 60 a 100 micrómetros de espesor a partir de baños de silicio líquido para evitar las pérdidas ligadas al recorte de los lingotes; fabricación de plaquetas de silicio a partir de polvos de silicio condensados y moldeados, etc. Otros proyectos se centran en la arquitectura misma de la célula fotovoltaica: realización de contactos eléctricos únicamente sobre la cara posterior, para suprimir la sombra debida a la metalización sobre la cara anterior que recibe la radiación; fabricación de células bifaciales cuyas grillas sobre las dos caras de la célula permiten colectar más cargas; depósito en la cara anterior de una capa de silicio amorfo hidrogenado, etc. El objetivo consiste entonces en alcanzar el rendimiento teórico máximo de cerca de un 30% de las células de silicio cristalino. El uso de nanopartículas de silicio y de redes fotónicas es también una de las pistas estudiadas por los investigadores pues podrían permitir transformar más eficientemente la conversión de ciertos fotones o confinar la mayor cantidad de “estas partículas de luz” dentro de la célula.
Experto: Abdelilah Slaoui - ICube – Estrasburgo, Francia

DIAPORAMA – Presentación de la diversidad de las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica son muy diversas. Se distinguen las aplicaciones autónomas (no conectadas con una red) y las instalaciones conectadas con una red. Las aplicaciones autónomas aparecieron primero: la energía fotovoltaica fue entonces utilizada como fuente de energía para los satélites artificiales, como fuente de alimentación de aparatos portátiles (calculadoras, relojes, ordenadores) o de instalaciones aisladas (balizas marítimas, señalización vial, parquímetros, refugios de montaña). En cuanto a las instalaciones conectadas con la red, pueden ser de tres tipos: las que forman parte de un edificio (casa individual, inmueble para vivienda o para oficina, edificio agrícola), las que se integran a una estructura (aparcamiento, muro anti-ruido), o las que son parques fotovoltaicos cuya producción se usa exclusivamente para alimentar directamente la red eléctrica. Este diaporama presenta algunas de sus aplicaciones.

1 - Paneles solares fotovoltaicos integrados a los balcones en un conjunto de edificios ecológicos en Helsinki (Finlandia). En los países nórdicos, colocar los paneles solares en las fachadas meridionales de los edificios en vez de ubicarlos en los techos es más rentable, debido al bajo ángulo de incidencia de los rayos del Sol. La integración de los paneles solares a los edificios también es una solución para responder a las críticas sobre la estética de los paneles solares. © Wikimedia Commons/Foto Pöllö

2 - Mercado Pajol en el 18° distrito de París (Francia). Inaugurado en 2013, el Mercado Pajol es la primera central solar fotovoltaica urbana de Francia. Su techo está equipado con 3 500 m² de paneles solares fotovoltaicos que producen 390 MWh de electricidad al año, y con 200 m² de paneles solares térmicos que permiten calentar el agua sanitaria del albergue de juventud ubicado en el Mercado. El Mercado Pajol es uno de los elementos que componen el proyecto de ordenación urbana Pajol que prevé la rehabilitación de los ferrocarriles de la SNCF (Sociedad Nacional de los Ferrocarriles Franceses) en desuso, en el barrio de La Chapelle (París). © Marc Verhille / Ayuntamiento de París

3 - Aparcamiento con techo equipado de paneles fotovoltaicos, Universidad de Arizona (Estados Unidos). © Wikimedia Commons/Foto Kevin Dooley

4 - Muro anti-ruido a lo largo de una autopista en Freising (Alemania). Este equipamiento, puesto en servicio en 2003, es el más importante de este tipo en el mundo y tiene una capacidad de producción eléctrica de 500 kVc. © Wikimedia Commons/Foto Isofoton.es

5 - Hangar agrícola en Rieupeyroux (Lozère, Francia). El techo fotovoltaico de este criadero, situado a 800m de altitud, pertenece a un grupo de 77 criadores de becerros de denominación “ternera de Aveyron y Ségala”. Los criadores pusieron en común 30 000 m² de techo para producir electricidad. La potencia instalada es de 3,2 MW. © Imágenes CNRS/ Marcel Dalaise

6 - Generador solar Amonix 7700 en California (Estados Unidos). El generador solar fotovoltaico de concentración Amonix 7700 está constituido por cientos de lentes. Cada lente concentra la luz del Sol cerca de 500 veces en las células fotovoltaicas multiunión. Los generadores solares fotovoltaicos de concentración utilizan lentes ópticas o espejos esféricos. Estos generadores, más bien destinados a regiones secas y soleadas, ofrecen un rendimiento superior a los sistemas fotovoltaicos clásicos. De esta forma, en agosto de 2013, la sociedad Amonix anunciaba un rendimiento récord cercano al 36%. © Wikimedia Commons/Foto Mbudzi

7 - Granja solar de la meseta de la Colle des Mées en los Alpes de Haute Provence (Francia). Esta central fotovoltaica, inaugurada en 2011, es una de las más grandes de Francia y se extiende sobre 66 hectáreas. Además, está compuesta por más de 110 000 módulos solares. Su capacidad es de 31 MWc. Esta granja solar puede proveer electricidad a 12 000 hogares. Las tierras ocupadas por la central son sembradas con plantas melíferas en primavera para contribuir a la preservación de las abejas y fomentar una agricultura biológica. La reconversión del sitio en tierras agrícolas al final de la vida útil y el reciclaje de los paneles también han sido previstos. © Wikimedia Commons/Foto C. Pinatel de Salvator

8 - Central fotovoltaica de Toul-Rosières, en Meurthe y Mosela (Francia). La central solar fotovoltaica de Toul-Rosières es la más grande de Francia. Está situada cerca de Nancy, en la antigua base aérea 136 de la Aviación francesa, cuyo terreno fue enteramente descontaminado y, en parte, reforestado. Unas 120 hectáreas están cubiertas por paneles fotovoltaicos de capa fina, con una potencia de 135 MWc, o sea la electricidad necesaria para suministrar a una ciudad de 60 000 habitantes. Esta central gigante se puso en funcionamiento progresivamente a partir de mayo de 2012. © Foto Emile Pol/SIPA

9 - Central fotovoltaica de baja concentración Sevilla, en Sanlúcar la Mayor (España). Esta central cubre 30 hectáreas y consta de una superficie de 5913 m2 de paneles fotovoltaicos. La capacidad eléctrica instalada alcanza 1,2 MW y genera 2,1 GWh al año. © Wikimedia Commons/Foto afloresm

10 - Central fotovoltaica de concentración (CPV) Mildura, en el estado de Victoria (Australia). Esta central es la más grande CPV de Australia. Fue inaugurada en julio del 2013 y produce 1,5 MW. Esta central debe servir para demostrar la viabilidad económica de la tecnología de las centrales fotovoltaicas de concentración con heliostatos parabólicos. © Foto Solar Systems-Silex

11 - El Altersonne, barco solar en Hamburgo (Alemania). © Wikimedia Commons/Foto KMJs

12 - Avión solar Sunseeker volando por encima del desierto californiano en 2005 (Estados Unidos). © Wikimedia Commons/Foto Ccoonnrraadd

13 - Coche solar de la marca Mercedes-Benz construido en 1985 para la carrera de vehículos solares entre el lago de Constanza y el lago de Ginebra. Museo Mercedes-Benz, Stuttgart, Baden-Württemberg (Alemania) © Wikimedia Commons/Foto Morio

Las capas delgadas y los nanocables de silicio
En 2012, el 3,8% de las células vendidas en el mundo estaban constituidas por silicio amorfo hidrogenado. Este silicio de estructura desordenada y no cristalina presenta una gran ventaja. Se necesita un espesor muy reducido para absorber la luz visible: 0,25 μm en vez de 200 μm como en el caso del silicio cristalino. Sobre todo, se puede depositar esta capa delgada en una gran variedad de sustratos (vidrio, plástico, metal) a partir de procedimientos plasma de baja temperatura, alrededor de 200°C . Si bien la producción de estas células resulta menos cara, no permiten una buena conversión de la luz en electricidad por el “desorden” del material semiconductor. Con rendimientos del 7% en módulos industriales, en vez del 14% como en el caso del silicio multicristalino, las cuotas de mercado del sector se reducen. No obstante, las investigaciones llevadas a cabo permitieron la emergencia de tecnologías y conceptos nuevos. Hoy en día, ciertas células masivas de silicio cristalino (tecnología HIT ) que tienen un rendimiento record del 24,7% están recubiertas por finas capas de silicio amorfo hidrogenado. En el laboratorio, los investigadores logran hacer crecer silicio cristalino con procedimientos plasma de baja temperatura. Otros proyectos más prospectivos prueban la eficacia de nanocables de silicio. En este caso, la célula ya no está constituida por capas de materiales superpuestas unas sobre otras, sino de un “bosque” de pequeñas estructuras radiales, compuestas, a su vez, por diferentes capas. Esta estructura permite entrampar la luz y “recuperar” más fácilmente los electrones. En 2013, se obtuvieron rendimientos del 8,2% para células de 0,1 μm de espesor y compuestas por 108 nanocables/cm2 y los investigadores esperan alcanzar el 15% antes de 2015, utilizando estructuras tándem de unión radial. El desafío también es hacer crecer nanocables bien rectos en grandes superficies, cuya densidad, tamaño, forma y diámetro óptimos todavía quedan por definir.
Expertos Jean-Paul Kleider - LGEP – Laboratoire de Génie Électronique de Paris (Laboratorio de Ingeniería Eléctrica de París); Pere Roca i Cabarrocas, LPICM – Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces (Laboratorio de Física de Interfaces y Capas Delgadas)

Las capas delgadas a base de CIGS
En 2012, el 2,9% de las células fotovoltaicas vendidas en el mundo estaban constituidas por CIGS. Este acrónimo hace referencia al material semiconductor constituido por cobre, indio y galio asociado al azufre o selenio. Este material absorbe la luz 100 veces más que el silicio, de modo que una capa de 2 μm basta para absorber el conjunto de los fotones. Actualmente, su depósito en un sustrato de vidrio se realiza al vacío a unas temperaturas de aproximadamente 550°C. Para reducir los costos de fabricación, los investigadores estudian el desarrollo de depósitos químicos o electroquímicos a baja temperatura y presión atmosférica así como la sustitución del sustrato de vidrio, que representa aproximadamente el 30% del precio de una célula, por soportes metálicos o plásticos. Se están llevando a cabo otras investigaciones sobre los sustitutos posibles del indio, tales como el cinc o el estaño. Dado que el indio es un elemento poco abundante que también se utiliza en microelectrónica, en los próximos decenios será escaso y por lo tanto caro. Reducir el espesor de la capa de CIGS para alcanzar 0,1 μm así como mantener una buena absorción luminosa gracias a trucos nanofotónicos permitiría retrasar esta escasez. Otro desafío del sector es sustituir la capa tampón de sulfuro de cadmio por una película más ecológica que no contenga cadmio tóxico. Esta capa tampón ultra fina de 50 nm vincula la capa activa de CIGS y la capa superior de la célula a base de óxido de cinc que sirve de contacto pre-conductor y que se “dopa” a fin de permitir la separación de los electrones y de los huecos en la capa de CIGS. A diferencia de una célula de silicio, la unión no está constituida por el mismo material dopado diferentemente, sino por dos materiales dopados diferentemente. Se habla de heterounión. En junio de 2013, el rendimiento máximo de las células CIGS era del 20,4% .
Experta: Negar Naghavi – IRDEP – Institut de Recherche et Développement sur l'Énergie Photovoltaïque (Instituto de Investigación y Desarrollo sobre Energía Fotovoltaica)

Las células multiunión
En el mejor de los casos, una célula de silicio solo puede convertir el 30% de la energía lumínica en energía eléctrica. Un rayo de luz contiene fotones de energía muy diferentes y solo los fotones de energía superior a 1,1 eV ponen en movimiento los electrones del silicio. Los fotones de menor energía atraviesan el silicio sin efecto. Ahora bien, esta energía es inversamente proporcional a la longitud de la onda luminosa: un fotón rojo de 700 nm posee menos energía que un fotón de luz azul de 450 nm. El silicio cristalino es capaz de convertir en electricidad una amplia gama de longitudes de onda comprendidas entre 400 y 1100 nm, o sea la parte visible y del infrarrojo cercano. A fin de mejorar los rendimientos de las células y utilizar los fotones infrarrojos entre 800 y 1800 nm sin sacrificar la conversión de fotones de mayor energía, los investigadores tuvieron la idea de apilar células fotovoltaicas constituidas por semiconductores que reaccionan a fotones de longitudes de onda diferentes, a fin de cubrir de la mejor manera el espectro solar. También denominadas células tándem, las células multiunión más exitosas están constituidas por tres uniones. La célula superior es de un material a base de galio-indio-fósforo que convierte los fotones ultravioletas hasta el verde, la célula intermedia es de arseniuro de galio que convierte los fotones amarillos y rojos y la célula inferior es de germanio que convierte los fotones infrarrojos. En junio de 2013, estas células alcanzaban rendimientos récord del 37,7% bajo iluminación estándar y del 44% bajo una concentración de 942 soles , dado que sus rendimientos aumentan de manera logarítmica con la intensidad lumínica. Antes de 2020, nuevas células de tres uniones deberían alcanzar un rendimiento del 50% bajo concentración.
Experto: Jean François Guillemoles – IRDEP

La energía fotovoltaica de concentración
Cuanto más luz recibe una célula fotovoltaica, más corriente genera. Y eso de manera proporcional: si el flujo de fotones se multiplica por 500, la corriente se multiplica también. A partir de los años 70, los investigadores tuvieron la idea de utilizar receptores solares para concentrar la radiación en células fotovoltaicas minúsculas, de superficie incluida entre 1 mm2 y 1 cm2. Sin embargo, el costo adicional considerable de los sistemas de concentración (espejos parabólicos o lentes de Fresnel) y del seguimiento solar asociado no era compensado por un aumento suficiente del número de kilovatios producidos: las células de silicio utilizadas -incluso las mejores- tenían rendimientos demasiado bajos y la concentración era de 200 soles como máximo. La comercialización de nuevas células multiunión a base de arseniuro de galio en los años 90 cambió las cosas. Con un rendimiento global de un 30%, el costo de la conversión fotovoltaica bajo concentración (CPV) sigue siendo superior en un 50% al del sector del silicio, pero la probabilidad de que baje es considerable. En junio de 2013, un centenar de centrales fotovoltaicas de concentración estaba unido a la red eléctrica mundial, con una capacidad total instalada inferior a 100MW. Antes de 2020, se debería alcanzar el gigavatio gracias a nuevas implantaciones en las regiones poco nubosas y con fuerte insolación (África del Norte, suroeste de los Estados Unidos, Australia, etc.). Estas regiones del denominado Cinturón Solar están a favor de la tecnología que solo utiliza la radiación solar directa. La gran mayoría de las centrales actuales funcionan con concentraciones de 500 a 700 soles y utilizan un sistema de enfriamiento “pasivo”: el calor se disipa a través de los receptores de alta conductividad térmica sobre los cuales se insertan las células fotovoltaicas, mientras que unas aletas facilitan la evacuación del calor por el aire ambiente atrás de los módulos. Se prueban actualmente algunos prototipos para concentraciones de 1000 a 1500 soles. Integran sistemas de enfriamiento “activos” a fin de evitar que las células se derritan, por ejemplo redes densas de micro-canales grabados en los receptores, en los cuales circula, a gran velocidad, un fluido que se introduce bajo la forma de micro-chorros. Los investigadores también exploran más allá de las potencialidades comerciales para entender mejor los sistemas, con concentraciones de hasta 10 000 soles en el horno solar de Odeillo, en los Pirineos Orientales franceses. Otros proyectos proyectan módulos constituidos por micro-células de superficie inferior a 0,1 mm2 dispuestas bajo micro-concentradores, o sea una especie de “micro-CPV”.
Experto: Alain Dollet - PROMES

Las capas delgadas orgánicas
En una célula fotovoltaica orgánica, los fotones son absorbidos por pequeñas moléculas compuestas principalmente por átomos de carbono e hidrógeno (como máximo cincuenta átomos), o por moléculas muy largas que presentan una repetición de motivos, llamadas “polímeros semiconductores orgánicos”. Estas moléculas que aparecieron a principios de los años noventa alcanzaron un rendimiento récord del 12% en junio de 2013. Para aumentar su eficacia, se buscan moléculas que absorban la mayor parte del espectro solar (fotones rojos e infrarrojos en particular), pero también materiales aceptores de electrones que sean compatibles. Dichas células orgánicas están compuestas por un par de materiales imbricados: un “dador” y un “aceptor” de electrones. El “aceptor” es indispensable para disociar el par electrón-hueco. El papel desempeñado por la arquitectura interna de la célula es esencial: debe multiplicar las zonas de interfase entre los dos materiales, a escala nanométrica. El aceptor de electrones que se utiliza tradicionalmente es un derivado del fullereno que puede adoptar diferentes formas geométricas, como la de una pelota de futbol (C60) o de una de rugby (C70). Se está probando, en el laboratorio, su reemplazo por polímeros o nanopartículas inorgánicas. Para pasar a una producción industrial, se deben desarrollar electrodos y materiales de encapsulación transparentes de bajo costo y compatibles con procesos de fabricación a temperaturas inferiores a 150°C. La encapsulación de los módulos es indispensable para proteger, de manera duradera, las moléculas orgánicas del agua y del oxígeno que pueden degradarlas. Actualmente, se estima que la vida útil de estas células alcanza una decena de años.
Expertos : Solenn Berson – Commissariat à l’Energie Atomique (Comisariado de la Energía Atómica) à l’Institut National de l’Énergie Solaire (Instituto Nacional de la Energía Solar); Cyril Brochon- Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Laboratorio de Química de Polímeros Orgánicos, Universidad de Burdeos, Francia)

Las células sensibilizadas por colorantes
Creadas en 1991 en un laboratorio suizo y también llamadas células de Grätzel por el apellido de su inventor, las células sensibilizadas por colorantes imitan el proceso fotosintético de las hojas. En estas células, los fotones son absorbidos no por pigmentos clorofílicos sino por colorantes organometálicos, orgánicos o inorgánicos, tales como las perovskitas. Todos son capaces de adherirse sobre nanopartículas de dióxido de titanio. El conjunto está inmerso en un electrolito líquido o sólido, lo que permite regenerar el estado electrónico inicial del colorante. A diferencia de las células de silicio, existe una clara separación entre la función de absorción de la luz (realizada por el colorante) y la de transporte de las cargas (realizada por el dióxido de titanio en el caso de los electrones y por el electrolito en el caso de los huecos). En junio de 2013, estas células alcanzaban un rendimiento récord del 14,1%. Teóricamente, podría alcanzar el 33% gracias a nuevos colorantes capaces de convertir los fotones del infrarrojo cercano, materiales que sean mejores “aceptores de electrones” y nuevos electrolitos. Cabe destacar que se pueden alcanzar rendimientos de hasta un 43% con células tándem . Los investigadores también estudian los mecanismos de degradación de los colorantes en la célula cuya vida útil se estima en unos quince años. Su reciclado podría tener lugar mediante un nuevo llenado de electrolito y de colorante, sin que sea necesario reemplazar las capas conductoras de vidrio y el óxido de titanio que se degradan poco y que representan el 70% del costo total de las células. Este reciclado constituye un elemento importante para la integración futura de estas células transparentes y coloreadas en las fachadas o acristalamientos de los edificios.
Experto: Frédéric Sauvage LRCS -Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides (Laboratorio de Reactividad y Química de Sólidos)

La nanofotónica para la energía fotovoltaica FV
Hoy en día, las células de silicio están recubiertas por una capa antirreflejo y por una multitud de pequeñas pirámides invertidas, lo que favorece la penetración de la luz en la capa absorbente. Para aumentar el rendimiento y la delgadez de las células fotovoltaicas se podrían agregar trucos nanofotónicos a estas técnicas de óptica clásica tales como los cristales fotónicos, unos minúsculos huecos de 10-100 nm de profundidad espaciados periódicamente. Grabados en la cara superior de la célula, permiten dirigir transversalmente una gama de longitudes de onda en el material semiconductor, aumentando, de esa manera, la absorción de los fotones apuntados. Se están experimentando otros conceptos en los laboratorios, tales como el depósito en la superficie de pequeñas pastillas metálicas nanoestructuradas. Con menos limitaciones espectrales, esa técnica permite captar la luz en unas especies de cavidades minúsculas por efecto “plasmón” (un plasmón es un par compuesto por un fotón y un electrón del metal) y reducir así diez veces el espesor de la capa absorbedora. Incluso se puede modificar el espectro de la luz incidente. El depósito de tierras raras (erbio, iterbio) en la superficie de las células fotovoltaica permite la descomposición de los fotones violetas o ultravioletas (de muy alta energía) en varios fotones rojos que pueden generar dos veces más movimiento de electrones. Los investigadores intentan también “añadir fotones” insertando en el interior mismo de las uniones de las células, materiales particulares. Intentan convertir dos fotones de baja energía, que no son normalmente absorbidos por el semiconductor, en uno solo de mayor energía. Algunas de las técnicas y de los materiales utilizados tienen todavía un precio muy elevado pero los investigadores intentan encontrar sustitutos.
Expertos: Stéphane Collin – LPN - Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Laboratorio de fotónica y nanoestructura); Stephane.Collin@lpn.cnrs.fr Alain Fave - INL- Institut des nanotechnologies de Lyon (Instituto de nanotecnologias de Lyon, Francia).

Los sistemas fotovoltaicos FV
La producción de electricidad fotovoltaica no depende solamente del rendimiento de las células y del lugar de instalación. También se debe tomar en cuenta la eficiencia de otros componentes del sistema, tales como los cables eléctricos, disyuntores eléctricos, inversores, etc. Esos últimos convierten la corriente continua producida por las células en corriente alterna a una tensión y una frecuencia que pueden ser inyectadas en la red (por ejemplo 230 V y 50 Hz). La elaboración de nuevas leyes de mando eléctrico que permiten adaptar en tiempo real la corriente proporcionada y las nuevas disposiciones de los componentes electrónicos internos de los inversores permitieron lograr importantes ganancias en materia de rendimiento. Sin embargo, las posibilidades de mejora para progresar siguen siendo considerables. Por ejemplo, aumentar el rendimiento de los inversores permitiría aumentar la producción de energía fotovoltaica de un 5 a un 15 %. Otro desafío es triplicar la vida útil de esos aparatos, estimada actualmente en unos diez años, frente a 25 años para los módulos, con el fin de reducir el costo y el impacto ambiental de los sistemas fotovoltaicos en su conjunto. Esto requiere replantear la estructura interna de los inversores para reducir las presiones de estrés, concebir componentes a base de materiales más duraderos y más robustos frente a las variaciones de temperatura y de potencia. También supone el auge de un sector industrial dedicado a la producción de componentes electrónicos específicos a la energía fotovoltaica para no tener que utilizar más aquellos que fueron concebidos para aplicaciones domésticas: componentes para lavadoras, refrigeradores, etc.
Experta: Corinne Alonso – LAAS –Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (Laboratorio de Análisis y Arquitectura de Sistemas)

El auge de la energía fotovoltaica
Antes de 2020, la paridad de red debería establecerse en Francia. Será más interesante para un hogar consumir los vatios producidos por los módulos fotovoltaicos instalados en su tejado que comprarlos a la red, y, para sus vecinos (escuela, ayuntamiento, empresas, etc.), comprar el excedente de electricidad producida. La trama de los actores involucrados (usuarios, explotadores, distribuidores, productores, etc.) será mucho más compleja que hoy en día en que el operador EDF ocupa una posición central. El desarrollo de la energía fotovoltaica cuestiona incluso la propia economía de la electricidad: la intermitencia de su producción se refleja en la volatilidad del precio de la electricidad intercambiada en el mercado al por mayor, que puede llegar a ser negativo en los periodos de insolación como fue el caso en junio de 2013. Este desarrollo podría llevar a una “revolución energética” combinando producción, consumo y almacenamiento según los recursos energéticos y las necesidades propias de cada territorio, e impone obligatoriamente el desarrollo de técnicas de almacenamiento. Desde hace mucho tiempo, las centrales hidroeléctricas utilizan el excedente de electricidad para hacer subir el agua en las represas y producir electricidad durante los picos de consumo. Otras formas de almacenamiento se están experimentando a nivel de los edificios gracias al Smart-grid: baterías de vehículos eléctricos estacionados en los edificios almacenan la electricidad durante el día y la restituyen durante la noche; aparatos electrodomésticos son temporalmente interrumpidos por el distribuidor de electricidad (EDF) con el fin de reducir los picos de consumo. Queda por saber en qué condiciones los automovilistas y consumidores aceptarán las molestias ocasionadas. En el futuro, se podrían generalizar nuevas tecnologías tales como la pila de combustible (de hidrógeno, por ejemplo) y las cisternas neumáticas (que permiten almacenar la energía bajo forma de gas comprimido). También se está considerando un sistema de almacenamiento de los excedentes estivales de electricidad en forma de calor en tanques de agua ubicados bajo los edificios para calentarlos en invierno.
Experto: Gilles Debizet – PACTE - Politiques publiques, ACtion politique, TErritoires (Políticas públicas, Acción política, Territorios)


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