Durante el presente año el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces más energía que la que vamos a consumir. 

La energía solar es un conjunto de radiaciones electromagnéticas que se desplazan -desde el sol- por el espacio, en todas las direcciones y alcanzan a la tierra en 8 minutos. Hoy las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) son consideradas a nivel mundial como las alternativas más viables para diversificar la matriz energética. Entre éstas, la energía solar se muestra muy promisoria, pese a lo cual no se espera que tenga un gran impacto en la matriz de generación hasta después de algunas décadas.

La energía fotovoltaica consiste en la transformación directa de la luz en electricidad, a través del efecto fotoeléctrico. Esto se logra gracias a células solares fotovoltaicas, las que están compuestas de materiales semiconductores, principalmente silicio. 

 Los expertos apuestan por esta tecnología para el futuro. Potencial tiene: en una sola hora la tierra recibe más energía del sol que el consumo humano de todo un año. Y sus ventajas son múltiples. No genera emisiones de CO2 y además no necesita estar conectada a una red de distribución eléctrica ya que se genera electricidad en el mismo lugar de consumo, lo que lo convierte en una opción ideal, sobre todo para zonas aisladas.

El gran problema es el costo. En EE.UU. la energía solar es dos o tres veces más cara que la energía corriente generada para consumidores unitarios. Ésa es la principal razón por la cual durante el 2006 la energía fotovoltaica tan sólo produjera el 0,04% del total de la electricidad mundial.

Décadas de investigación han aumentado la eficiencia de las células solares de silicio, de un promedio de un 6%, a un 15%; y los avances en la manufactura han reducido los costos de 200 dólares por Watt en la década de los 50 a 2,7 dólares en el 2004. Dentro de 3 a 8 años se espera que los costos san competitivos con la electricidad

Algunos países de Europa y parte de Estados Unidos han implementado subsidios para apoyar la adopción de energía solar. La iniciativa californiana “Un millón de techos solares”, por ejemplo, contempla gastar tres billones de dólares en la próxima década para incentivar este tipo de energía. En Alemania el gobierno ofrece a los generadores de electricidad, en base a energía solar, importantes retornos en sus tarifas eléctricas, tanto así que ese país se ha convertido en el mercado más grande de paneles solares en el mundo. Como resultado de esos incentivos, el mercado de energía solar ha crecido cerca de un 40% en los últimos 5 años, llegando cerca de US$ 11 billones en el 2005. En pocos años la energía solar se ha convertido en un gran negocio.

Luz en el fin del mundo

Chile es un país privilegiado por su potencial de energía solar, sobre todo en el norte del país, donde existe uno de los niveles de radiación más altos de todo el planeta. El desierto de Atacama, por ejemplo, presenta 330 días de cielo despejado cada año y una radiación media de 6,5 KWH. En esa zona cada metro cuadrado recibe anualmente sobre 2 mil KW, lo que la convierte en un área con gran potencial para el desarrollo de esta tecnología.

Las potencialidades son infinitas. El problema es el costo y la falta de incentivos, aunque se espera que el proyecto de ley de ERNC sea un impulso para desarrollar este tipo de energía. “Mientras el Estado no implemente medidas de promoción e incentivos, es difícil que surja ese tipo de aplicaciones en Chile, porque existen otras más baratas, como la energía eólica”, explica Carlos Canales, asesor técnico principal del Programa GEF/CNE de Energías Renovables.

 Las experiencias que existen en el país corresponden principalmente a sistemas para alumbrados y electrificación de viviendas. Hasta el año 2000, en Chile se instalaron 2.500 soluciones y ya hay proyectos marchando para implementar otros 6 mil paneles solares en cuatro regiones del país. “Durante los años 90 pusimos en varias casas y escuelas rurales paneles fotovoltaicos pero nos encontrábamos siempre con el problema de la mantenimiento. Entonces empezamos a trabajar en un modelo que finalmente ‘vio la luz’ a principios del 2000 y ahora estamos a punto de terminar la instalación de los 3.060 paneles, que es el proyecto fotovoltaico más grande para electrificación en el país. Hemos liderado el tema por más de 15 años y vamos a invertir alrededor de 6 mil millones de pesos en un lapso de 10 años”, explica Ricardo Cifuentes, Intendente de la IV región. 

La instalación de los paneles se hará en zonas a las que sería muy caro llegar con líneas de transmisión por estar alejadas y dispersas. Además, se implementará el sistema en 50 escuelas y postas de la región. “Este proyecto ya lleva dos años de ejecución y tenemos 10 años para evaluar cómo funciona, que es el lapso de tiempo que estipula el contrato con Conafe, empresa eléctrica que se adjudicó la licitación. Para eso el gobierno regional aportará entre 250 a 270 millones de pesos anuales. Esto también va a tener un costo para el usuario que pagará una tarifa subsidiada por el gobierno regional”, explica el Intendente. Cada vivienda recibirá un módulo básico que consta de un panel solar, cuatro ampolletas y enchufes.

El bombeo solar

La agricultura también puede verse beneficiada por la energía fotovoltaica, especialmente el riego. Ya hay cuatro proyectos pilotos en marcha en nuestro país que consisten en dotar de bombeo solar a predios alejados para fomentar sus actividades productivas. El bombeo solar consiste en una bomba cuya fuente de energía es una placa solar que alimenta el bombeo de agua. Son sistemas sencillos de 1 a 2 kw, lo que alcanzan para regar hasta 1,5 ha.

Los paneles fotovoltaicos producen energía eléctrica continua, la que es consumida por una bomba que bombea el agua desde un pozo hasta un depósito donde se almacena para su posterior uso. Este depósito puede ser substituido por una batería que permite bombear agua en cualquier momento del día, incluso en la noche, y distribuirla a una mayor presión.

Hay distintos tipos de bombas solares. Una es la bomba de superficie o la autoaspirante que es ideal para regar por goteo ya que es de larga vida de uso y bajo consumo. También existe la bomba sumergible que está pensada para pozos profundos ya que consigue una gran presión de elevación, de hasta 1,20 m, además de su gran rendimiento.

“Va a ser una segunda revolución en nuestros campos porque hoy tenemos un intenso problema de sequía y repartimos agua en camiones. Queremos resolver esto de manera más estructural. Lo interesante es que con la tecnología adecuada vamos a resolver un problema de muchos años”, explica Ricardo Cifuentes, Intendente Regional.  

Los expertos advierten que si bien la inversión inicial para un sistema de bombeo solar es mayor, los beneficios son muchos: “Es una energía limpia e ilimitada. Cada día es más caro tener una bomba de gasolina, la cual además emite partículas de CO2. La fotovoltaica no genera emisiones y es gratis. Si bien la bomba bencinera es más barata al inicio, tienes que estar toda la vida poniéndole bencina, cambiando aceite, costear la mantenimiento, etc.”, explica Daniel Vargas, del Programa GEF/CNE de Energías Renovables.

Pero esta tecnología no es sólo útil en el norte de Chile. Experiencias exitosas en Alemania y España demuestran que puede ser aplicada en zonas sin tanta radiación solar, en latitudes como las de Punta Arenas y Coyhaique. Nuevamente el problema es el costo: en vez de poner un panel hay que colocar dos para  producir lo mismo que en una zona de radiación óptima. 

 La inversión inicial es la principal piedra de tope para el destape definitivo de la energía fotovoltaica en Chile. Aún es una alternativa cara, incluso mayor a otros tipos de ERNC, como la eólica. Un panel de 100 Wats cuesta aproximadamente 300 mil pesos, lo que significa que un sistema de riego fotovoltaico puede oscilar entre los 8 y 10 millones de pesos por hectárea.

Aún así las proyecciones son promisorias. Los investigadores auguran que en su momento la balanza se inclinará a los beneficios de esta tecnología, y que con el tiempo los costos disminuirán. “En el ámbito del riego nosotros tenemos la esperanza de que sea una solución, sobre todo entre la I y la V región. Por el momento nos vamos a enfocar en la IV Región, pero esperamos que esto crezca ya que lo vemos como una alternativa viable para la gente que tiene pozo y no tiene cómo sacar el agua”, explica Daniel Vargas. Los proyectos piloto de bombeo solar se pondrán en marcha el segundo semestre de este año en la IV región, en zonas aún por definir.

“Antes de que termine el período de la Presidenta Bachelet habremos hecho una contribución de casi 505 MW al Sistema Interconectado Central (SIC), de los cuales 52 serán de energía verde, si se suman los proyectos fotovoltaicos, eólicos y minihidro que estamos implementando. Además iniciamos un proyecto, junto al Ceaza, para aprovechar el potencial energético de las olas. Esta es una región líder en la producción de energía limpia en Chile”, explica el Intendente de la IV región.

El factor espacial

En 1839 se daba el primer gran paso en pos de la energía solar fotovoltaica. Alexandre Becquerel, físico francés, descubría el efecto fotoeléctrico. Cuarenta años más tarde se construía la primera célula solar, aunque su eficiencia sólo alcanzaba el 1%. En 1954 un equipo de científicos inventaba la primera célula solar práctica, cuyo índice de eficiencia podía alcanzar el 6%. El invento acaparaba los titulares de los diarios más importantes del mundo. “El inicio de una nueva era”, titulaba el New York Times.

 El Sputnik I, primer satélite artificial de la Unión Soviética lanzado al espacio en 1957, abrió los ojos de los investigadores. Después de unas pocas semanas dejó de transmitir información a la tierra. ¿La razón? Se había quedado sin batería. Un año más tarde los estadounidenses lanzaron el primer satélite alimentado con energía solar y la experiencia fue todo un éxito. Fue entonces que se inició la competencia entre ambos países para demostrar quién tenía la supremacía espacial. En plena Guerra Fría. Esta lucha fomentó la investigación en las potencialidades de los paneles solares, que hasta entonces eran literalmente una opción fuera del alcance terrestre.

 Elliot Berman fue el hombre que bajó esta tecnología. Comprendió que para que la energía solar fotovoltaica fuera útil en la tierra, debía aterrizar sus costos. Uno de los cambios de su compañía, Solar Power Corporation, fue comprar obleas de silicio baratas. Éstas eran más grandes que las tradicionales, lo que hizo posible aumentar el tamaño de las células solares y trajo como resultado la disminución del número de células necesarias para confeccionar un módulo. ¿El resultado? En 1970 los costos bajaron de US$ 100 por watt a US$ 20 en tan sólo tres años.  

 Pero fue en 1994, año en que Japón inició sus programas de subsidio, cuando la energía solar fotovoltaica se convirtió en una opción real de energía. Hoy en ese país la energía solar compite con la tradicional y los costos de manufactura se reducen en un 5% al año. Esta disminución en el precio se debe a que cada vez las obleas se hacen más delgadas, pero también a que se ha logrado incrementar la eficiencia de las células y se han logrado economías de escala construyendo fábricas más grandes y automatizadas.

Una nueva barrera

 Después de 53 años desde su invención, las células solares en base a silicio aún dan cuenta de más del 90% del mercado. Pero la baja en los precios provocó la sobre demanda de silicio. La principal razón para que las ventas apenas crecieran en un 20% durante el 2006. El precio del silicio se fue a las nubes y también el de los paneles solares. Otra vez el costo se presenta como el principal problema a resolver. Después de décadas de sostenidas bajas el precio subió de US$ 2,7 por wats a 4, durante el año pasado.
 
 Las barreras se han convertido en oportunidades, sobre todo para las células solares de películas delgadas de silicio. Pero además son muy eficientes en la absorción de fotones y requieren menos de un 1% de material semiconductor usado por los paneles tradicionales. Buenas noticias, sobre todo considerando que el 40% del costo total de la elaboración de un panel solar es debido al silicio. Y hay más ventajas: esta tecnología ofrece una producción más rápida y mayores niveles de automatización, lo que a su vez reduce los costos.

 Por estas mismas razones, hace mucho tiempo que se está intentando dar el paso hacia las películas delgadas de silicio. Pero el sulfuro de cadmio, fue impulsado durante los 60 y 70, aunque no dejó muchas expectativas en pie. En 1980 los científicos abandonaron definitivamente el material, ya que no lograron hacerlo estable.

 Las células basadas en silicio amorfo, por ejemplo, han estado en desarrollo por varias décadas. A diferencia de la de silicio tradicional, en que se usan costosos procesos para transformarla en una estructura uniforme y cristalina, la de silicio amorfo es altamente desordenada y más barata. Pero su eficiencia tiende a disminuir cuando se expone a la luz solar, aunque hay varias fábricas en el mundo que aseguran que este problema ha sido superado.

Una tecnología de película fina competitiva es la CIGS, diminutivo para un nuevo tipo de material semiconductor compuesto de cobre, indio, galio y selenio. Se trata de una lámina flexible, ligera y translúcida que es más barata de producir que las basadas en silicio. Hay varias empresas que la están desarrollando. Hasta el momento la mayor eficiencia del material ha alcanzado el 19, 5%, pero se prevé que durante los próximos años alcance el 30%.
 
 El único pero es que la construcción de módulos a base de CIGS no es sencilla. Están compuestas de cuatro materiales distintos, que tienen que ser depositados uniformemente en un substrato o material de apoyo. Esto es fácil en un área pequeña, pero es difícil mantener la uniformidad, y por ende la eficacia, de las células en áreas más grandes. Varias industrias ya están experimentando al respecto.

 La idea del Departamento Americano de Energía es que la energía solar fotovoltaica sea competitiva con la tradicional de acá al 2015. Muchas empresas, sin embargo, esperan alcanzar esto en tan sólo tres años. El 2008 será un año clave: entonces más silicio llegará al mercado y el déficit de oferta desaparecerá.

 Pero la energía solar fotovoltaica no será un actor preponderante del panorama global en un futuro inmediato. Si la industria crece al mismo ritmo de las últimas décadas, no será capaz de proveer más del 1% de las necesidades mundiales totales de electricidad, por lo menos en la próxima década. Después de eso vendrá la gran revolución y llegará la hora del verdadero imperio del sol.

¿Cómo funcionan los paneles solares?

Las células solares, que convierten la luz solar en energía, están compuestas de dos delgadas láminas de material semiconductor –generalmente silicio-, las que forman un sándwich entre contactos metálicos. Una capa es de material ‘tipo-n’, la que contiene una gran cantidad de electrones libres (carga negativa); y la otra es de material ‘tipo-p’, la que contiene abundantes ‘agujeros’ de carga positiva y puede aceptar electrones. Cuando luz del adecuado largo de onda incide en la célula solar, paquetes individuales de energía llamados fotones, golpean algunos electrones pareados liberándolos. Como resultado aumenta el número de electrones libres en el material ‘tipo-n’ y el número de agujeros (carentes de electrones) en el material ‘tipo-p’. Se crea una diferencia de potencial. Un circuito externo provee el paso para que los electrones retornen al material ‘tipo-p’, produciéndose una corriente eléctrica que se mantiene en tanto la luz incide en la célula solar.


Artículo publicado en Chileriego Edición Nº 30, Agosto, 2007.