La energía solar fotovoltaica está considerada como una de las principales fuentes de energía que permitirán reducir en el futuro próximo las emisiones de CO2 asociadas a la producción de electricidad. El ritmo de instalación de sistemas fotovoltaicos en el mundo ha sido espectacular, superando los 100 GigaWatios (GW) de potencia nominal anual instalada durante los últimos dos años a nivel mundial. Esto equivaldría a construir 100 centrales nucleares cada año. A finales de 2019 había acumulados 586 GW de potencia fotovoltaica instalada total a nivel mundial según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA).
La mayoría de los paneles fotovoltaicos que se instalan hoy en día son de silicio cristalino, muy desarrollados tecnológicamente y con eficiencias de conversión de potencia solar en energía eléctrica en torno al 20% (lo cual es muy bueno a nivel de paneles comerciales, aunque las células fabricadas en laboratorios de investigación suelen tener mayores eficiencias). Gracias a la investigación se están consiguiendo mejoras continuas en la tecnología del silicio: por ejemplo, nuevas células de heterounión que combinan capas cristalinas con capas amorfas de silicio y que podrían alcanzar el 25% de eficiencia en paneles comerciales; o su combinación en células tándem que incluyen una célula de perovskita, un material que está recibiendo gran atención en la actualidad, fabricada directamente sobre otra de silicio y que en esta modalidad tándem Silicio/Perovskita ha alcanzado el récord del 29% de eficiencia en células de laboratorio, aunque todavía no se comercializan.
En nuestro grupo de investigación trabajamos en varias líneas con un objetivo común: evaluar y reducir el impacto ambiental de las tecnologías fotovoltaicas. Trabajamos a varios niveles: desde la fabricación de pequeños dispositivos experimentales con nuevas tecnologías orgánicas e híbridas, hasta el diseño de grandes sistemas a la escala de MegaWatios (MW).
Por un lado, en nuestro laboratorio fabricamos dispositivos experimentales de tecnologías emergentes y llevamos a cabo un estudio detallado de los materiales y la arquitectura de los dispositivos con el propósito de mejorar sus eficiencias en la conversión de potencia y alargar su vida útil. Los dispositivos se fabrican en Cartagena en una secuencia que combina procesos físicos y químicos para fabricar los materiales y los dispositivos finales completos. Además, realizamos experimentos en cada etapa para caracterizar tanto las propiedades de los materiales a nivel molecular, lo que supone realizar experimentos en grandes instalaciones como el Instituto Laue Langevin (ILL) o el sincrotrón europeo (ESRF) (Figura 1), como en técnicas más convencionales para caracterizar los dispositivos finales (medidas de corriente y tensión bajo distintas condiciones de iluminación y temperatura).
El ritmo de instalación de sistemas fotovoltaicos en el mundo ha sido espectacular, igualando la potencia equivalente a construir 100 centrales nucleares cada año
Por otro lado, trabajamos con tecnologías convencionales de silicio cristalino o teluro de cadmio. Este tipo de paneles ya son comerciales y nuestra investigación se orienta a la mejora del diseño de los sistemas completos, incluyendo los módulos de electrónica de potencia que permiten adaptar la potencia solar generada para su uso en sistemas aislados con baterías, en sistemas de bombeo de agua, o para su conexión a la red eléctrica. Dedicamos especial atención a la utilización de paneles fotovoltaicos integrados en edificios, los llamados Building Integrated Photovoltaic Systems (BIPV), que tienen un enorme potencial para dar un doble uso a los paneles: como sistema generador de electricidad, pero también como elemento estructural del edificio, donde contribuye a la regulación interna de la temperatura (propiedad que también se aplica en los ‘invernaderos fotovoltaicos’ para su uso en agricultura avanzada). (Figura 2).
Finalmente, para todas las tecnologías en las que trabajamos, realizamos un estudio de su Ciclo de Vida (o Life Cycle Assessment, LCA), que permite evaluar todos los impactos ambientales de la fabricación, instalación, uso y reciclado de los paneles fotovoltaicos. Recientemente hemos realizado un estudio sobre el impacto del plomo contenido en ciertas variantes de perovskita que es una tecnología fotovoltaica con mucho futuro, pero que genera cierta preocupación por su posible toxicidad. Los resultados son prometedores en una doble vía: el impacto del plomo es pequeño y, además, si se incluyen capas especiales que permitan capturar el plomo al final de la vida útil del dispositivo, su impacto ambiental a lo largo de la vida (incluyendo el reciclado) se reduce mucho.
Si la energía solar fotovoltaica está llamada a jugar un papel fundamental en nuestro futuro energético, es necesario considerar en profundidad todos los impactos a lo largo de su ciclo de vida: desde el tipo de material que se utiliza (evaluando su abundancia en la naturaleza o su potencial toxicidad) hasta los procesos de fabricación y reciclado que deberían consumir poca energía y tener bajo impacto ambiental. Esto ya se consigue actualmente con las diversas tecnologías fotovoltaicas, aunque todavía queda mucho margen de mejora. Por ello, podemos decir sin duda que el futuro de la energía a nivel mundial pasa por la solar fotovoltaica.
Antonio Urbina Yeregui
Catedrático de la Universidad Politécnica de Cartagena.
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