Aplicaciones de la energía foto-voltaica e iniciativas políticas

Introducción

La tecnología fotovoltaica (FV), como opción alternativa para generar electricidad (directamente de la luz solar), ha experimentado un rápido progreso y desarrollo en los últimos años. Las incuestionables ventajas de los sistemas FV, como medio de generación energética seguro y sin emisiones (respetuoso con el medio ambiente), basado en una fuente energética ilimitada (abundancia), sin conexión a la red y con aplicaciones a pequeña o gran escala (versatilidad), etc., han atraído desde el principio el interés de los inversores y de los responsables políticos.

Como resultado, pese al alto coste de los módulos FV, se ha realizado una inversión considerable en investigación y desarrollo en el sector fotovoltaico (principalmente en los países desarrollados). Al mismo tiempo, la difusión de las aplicaciones FV se ha apoyado con subvenciones directas o indirectas a través de programas nacionales o internacionales. El mercado mundial de FV ha crecido a un ritmo medio anual del 24% en los últimos 5 años (National Center for Photovoltaics, 1998). Concretamente en 1997, el crecimiento alcanzó el 40% y las ventas de módulos FV alcanzaron, a nivel mundial, una capacidad de 125 MWp (Mega Watt peak) (Hill, 98). Al mismo tiempo se consiguieron reducciones considerables del coste de los módulos (hasta del 25% durante los últimos 5 años).

Se espera que las directrices principales de la actual política que promueve la difusión de las aplicaciones FV sigan siendo virtualmente las mismas en el futuro, mientras que una disminución continua del coste de los módulos FV permitiría que esta tecnología llegara a ser competitiva en grandes mercados sensibles a los precios. Actualmente, el sector FV está pasando por una etapa de transición en la que las mejoras de coste y de eficiencia de las baterías FV justifican la predicción de que la FV podría llegar a ser competitiva frente a la generación de energía convencional. Las previsiones optimistas sitúan este período hacia el final de la primera década del siglo XXI.

Conquistas tecnológicas actuales

En la actualidad, la I+D se centra principalmente en la optimización de la eficiencia de las baterías FV, desarrollando nuevos materiales para la fabricación de baterías e invirtiendo en líneas de producción más eficaces. El objetivo general es producir baterías FV a escala industrial con el fin de conseguir tanto una mayor eficiencia como un menor coste. La eficiencia de las baterías está aumentando gradualmente a través de un proceso de optimización, mientras que su coste depende de la eficiencia, del tamaño, de los rendimientos de producción y de la productividad, junto con el coste de las materias primas.

Los materiales semiconductores que se usan actualmente para la fabricación de módulos FV pueden dividirse en dos categorías principales: (i) materiales cristalinos (silicio mono y policristalino) y (ii) materiales amorfos utilizados como películas delgadas (silicio amorfo, telururo de cadmio, CIGS - CuInGaSe2). Los módulos de silicio cristalino representan alrededor del 80% del mercado y con ellos se consigue una mejor eficiencia (las baterías comerciales tienen una eficiencia alrededor del 12-17%) en comparación con la de los módulos de materiales amorfos (eficiencia alrededor del 6-8%), pero son más caros (Hill, 98). El precio relativamente bajo de los módulos de películas delgadas los hace más atractivos para las aplicaciones cuya prioridad principal no sea la eficiencia. También, dado que existe un margen significativo para la futura reducción de los costes de producción de módulos de películas delgadas, se están concentrando los esfuerzos en la optimización de la tecnología de dichas películas. Se estima que, para plantas con una producción anual de módulos CIGS de 200 MWp, el coste podría ser de unos 0,5 ECU/Wp (Hill, 98).

También se están desarrollando nuevos materiales a nivel de investigación, pero su coste de producción es hoy día demasiado alto para las aplicaciones comerciales. Además se ha desarrollado una serie de módulos FV de diferentes formas y colores para fomentar una mayor introducción y prevalencia de los sistemas FV, particularmente en aplicaciones en las que tiene importancia la apariencia externa del sistema (Ishikawa, 98).

Problemas clave y consideraciones estratégicas para la difusión de las aplicaciones FV

Aunque el coste de los sistemas FV es relativamente alto en la actualidad, está descendiendo gradualmente y puede reducirse en el futuro aumentando las escalas de fabricación. Se estima que el crecimiento del mercado de FV, por un factor de 20 a 30, dará lugar a plantas de fabricación a la escala necesaria para conseguir unos costes de alrededor de 1ECU/Wp, sin necesidad de grandes avances tecnológicos (Hill, 98). Para el año 2000 la capacidad de producción anual, sólo en Europa, podría llegar a 150 MWp, lo que representa un aumento de diez veces sobre la de 1996 (Palz, 1998).

No obstante, a menos que el aumento de la capacidad de producción vaya seguido por un aumento proporcional de la demanda de sistemas FV, no puede garantizarse un crecimiento sostenible del mercado. Si la demanda se mantuviera en niveles considerablemente más bajos, comparados con las tasas de producción, es posible que se invirtiera el clima positivo.

Iniciativas estratégicas integradas en las políticas existentes podrían apoyar inversiones adecuadas no sólo para el desarrollo futuro del mercado de FV, sino también para garantizar un crecimiento continuo y suficiente del mercado.

Construcción de plantas FV - Transferencia tecnológica

En la actualidad, más del 90 por ciento de la producción mundial anual de módulos FV se concentra en EE.UU., Europa y Japón (Singh, 98). Ya se encuentran en construcción nuevas fábricas (principalmente en países desarrollados como EE.UU., Alemania y Japón) y se espera que su actividad desempeñe un papel importante en la reducción de los costes de producción de los módulos FV.

Sin embargo, es igualmente importante que los líderes del mercado se orienten hacia la construcción de más fábricas, pero de menor tamaño relativo, en otros países (descentralización de la industria FV), en los que existen posibilidades considerables para la expansión del mercado de FV (por ejemplo, condiciones climáticas favorables), de modo que se estimulen las demandas y las subvenciones locales. Estas fábricas podrían utilizar baterías FV (o incluso módulos) como materia prima para obtener productos finales que satisfagan principalmente la demanda local o regional, adaptando los productos a las características específicas de los mercados locales. Los inversores locales pueden participar en estos esquemas y además se puede hacer uso de subcontratistas locales.

De esta manera se crearían mecanismos para la transferencia tecnológica que conducirían a una difusión y diseminación más eficaz de la tecnología. Simultáneamente, la inversión de capital requerida se dividiría entre las economías desarrolladas (poseedores de la tecnología) y los inversores locales. La descentralización de la industria FV daría como resultado la transferencia de los conocimientos tecnológicos actuales y la contribución a la creación de puestos de trabajo.

Las asociaciones estratégicas, tales como las fusiones temporales de empresas y las franquicias pueden utilizarse ampliamente como herramientas para la descentralización de la industria FV así como para la transferencia tecnológica. Ambos modelos pueden combinar la organización y los recursos de una gran corporación y la flexibilidad y la motivación de un empresario relativamente pequeño.

Específicamente, puede ser de importancia crucial el fomento de la difusión de la tecnología entre las empresas locales que estén implicadas indirectamente en aplicaciones FV. Como ejemplo pueden citarse las empresas de construcción, las compañías eléctricas y, en general, las industrias implicadas en el sector de la edificación (por ejemplo, las empresas fabricantes de fachadas, ventanas, etc.). Estas empresas pueden integrar sistemas FV en sus productos y servicios. Tienen acceso a una gran clientela y pueden influir, en consecuencia, sobre el mercado de FV.

Aún más, estas empresas pueden aplicar tecnologías FV cuando diseñan, producen y/o suministran sistemas de productos que incorporan estas tecnologías, desempeñando así el papel de desarrolladores de productos mediante la fabricación de artículos a medida adaptados a las peculiaridades del mercado local. Por ejemplo, una empresa que fabrique puertas exteriores, ventanas y fachadas de aluminio es un posible desarrollador de producto para un sistema FV integrado en un edificio. En este caso y en otros similares, la franquicia puede ofrecer una nueva fuerza impulsora para el mercado de FV con necesidades de inversión relativamente bajas.

En este contexto, las empresas con intereses compartidos en el crecimiento del sector FV pueden formar una red cooperativa local cuyo objetivo sea mejorar la adopción de tecnología FV. Esta red puede crear empresas "One Stop Shop" en las que el cliente interesado en la compra de un sistema FV pueda ponerse en contacto con una empresa única con capacidad tanto para suministrar una instalación "llave en mano" como para proporcionar asistencia técnica post-venta. Estas empresas pueden organizar campañas de información al público de modo que los sistemas pequeños se consideren al mismo nivel que los equipos habituales tales como los aparatos de aire acondicionado, y no como una tecnología extraordinaria de la "era espacial".

Como ejemplo - y tal vez también como estímulo para futuras investigaciones más allá del alcance de este artículo - merece la pena citar el caso del mercado de colectores solares en Grecia. Los fabricantes de colectores solares en Grecia crearon una asociación y acordaron una política común de comercialización. La campaña a favor de la instalación de colectores solares domésticos iba acompañada por una bonificación fiscal concedida por el gobierno. Como resultado, el mercado de Grecia ha experimentado últimamente un enorme crecimiento: el mercado griego de colectores solares domésticos representa casi el 50 por ciento del mercado europeo total. Los incentivos económicos, en conjunción con la colaboración estratégica entre los fabricantes, han estimulado la demanda. Aunque los sistemas FV y los colectores solares son sistemas muy diferentes, este caso es un ejemplo notable de hasta qué punto la creación de redes puede influir sobre el crecimiento del mercado.

Crecimiento orientado del mercado

La promoción de aplicaciones específicas prometedoras de FV se ha identificado también como factor importante para el desarrollo de su mercado. Estas aplicaciones podrían incluir los Sistemas Solares Domésticos (SSD) y los Sistemas Fotovoltaicos Integrados en la Construcción (SFVIC):

Los SSD son sistemas FV diseñados para aplicaciones, sin conexión a la red eléctrica, que suministran energía a una sola vivienda. Los SSD son sistemas FV modulares y sencillos, destinados principalmente a países en desarrollo como opción de coste mínimo para la electrificación rural de zonas extensas, de población muy dispersa, y con baja demanda de electricidad. Se pronostica que, en el año 2010, este segmento de mercado absorberá alrededor de la cuarta parte de todas las partidas de módulos FV.

Las dos barreras principales para la expansión de los SSD son la posibilidad de que los consumidores rurales puedan sufragar la electricidad y el acceso a créditos (Ciscar, 97). Las compañías eléctricas pueden desempeñar un papel de intermediarios en la difusión de los SSD asumiendo la responsabilidad de la instalación y del funcionamiento de los SSD a través de la creación de la infraestructura necesaria. Así pueden evitarse los fallos ocurridos en el pasado debidos a la creencia errónea de que los sistemas FV requieren muy poco, o ningún apoyo (Fitzgerald, 98). Aún más, las compañías eléctricas evitarían el alto coste que exigiría una ampliación de la red eléctrica. Se pueden conseguir economías de escala mediante el desarrollo de conjuntos estandarizados de SSD, ajustados a las particularidades de las condiciones locales. Las compañías eléctricas podrían ofrecer créditos a los clientes (se podrían introducir esquemas tales como la Financiación de Terceros, FT), al tiempo que dichas empresas también pueden recibir subvenciones públicas para implementar programas de electrificación de zonas rurales y para la formación de técnicos locales en instalación y mantenimiento de SSD. Una futura investigación podría examinar si existe una buena disposición de las compañías eléctricas para emprender estos esfuerzos y los incentivos que pudieran tener para hacerlo.

Los SFVIC son sistemas fotovoltaicos que se integran en la estructura de los edificios. Como los edificios representan el 40% de la demanda primaria total de energía en la UE (EUREC, 98), los SFVIC parecen ser una solución atractiva para satisfacer parte de la demanda eléctrica, mientras que los edificios ofrecen una localización excelente para los sistemas FV. La incorporación de la energía solar a la edificación complementa la eficiencia energética total del diseño.

Aparte de la generación eléctrica limpia, la principal ventaja de los SFVIC es la reducción de costes de capital que puede conseguirse con la sustitución de los recubrimientos metálicos convencionales. Por otra parte es evidente que, para obtener los mejores resultados, deberá estudiarse y planificarse la integración de los sistemas FV cuando se diseñen los edificios. Ciertamente, a nivel mundial, los arquitectos y los ingenieros han realizado esfuerzos significativos para integrar los sistemas FV en los edificios y en otras estructuras. Sin embargo, queda mucho trabajo por realizar en las áreas de formación y de difusión de la información.

Por estas razones, los SFVIC(1)se han convertido en una aplicación muy popular de los sistemas FV y se han instalado en una amplia variedad de edificaciones, tanto nuevas como antiguas. Para explotar todas las posibilidades del mercado de SFVIC resulta decisiva la estrecha cooperación, a nivel local, entre los fabricantes, las empresas de construcción y las compañías eléctricas, los arquitectos y los ingenieros.

En lo que respecta a los SFVIC y a las instalaciones FV conectadas a la red eléctrica en general, es importante la intervención pública para establecer un marco apropiado, por ejemplo mediante nuevas reglamentaciones para la construcción y mediante la reestructuración del marco legal que regula la generación de energía. Un asunto clave es la tasa que las compañías eléctricas deberían aplicar por cada KWh comprado a los propietarios de sistemas FV conectados a la red. La flexibilidad de las tarifas y la financiación de sistemas FV conectados a la red podría considerarse como un requisito previo para un crecimiento sustancial del mercado. Algunos de los instrumentos financieros que se pueden utilizar son la medición neta, los precios que priman la ecología, los créditos fiscales y la Financiación de Terceros.

Financiación-Programas de apoyo

El continuo crecimiento del mercado de FV demuestra que los programas de financiación están orientados en la dirección correcta. Sin embargo, como ya se ha dicho anteriormente, el mercado de FV necesita multiplicarse por 20 o 30 para obtener economías de escala significativas y llegar a ser competitivo en mercados más grandes.

Una vez que la política ha decidido promover activamente el crecimiento de la tecnología FV (aunque sin desatender otras tecnologías prometedoras de energías renovables), la pregunta que surge a continuación concierne a las acciones que deberían subvencionarse para obtener el resultado deseado. En la tabla 1, se resumen una serie de posibles acciones o medidas.

Investigación y Desarrollo

Pueden diseñarse programas de apoyo a FV para fomentar la transferencia y la difusión de tecnología así como la implicación de las empresas interesadas en el campo de FV - principalmente como usuarias e instaladoras - mejorando así la penetración de mercado de las aplicaciones FV. Las compañías eléctricas representan un ejemplo útil. La transferencia de tecnología a estas empresas puede acelerar la expansión del mercado de FV, mientras que podría animarse a dichas empresas a que ofrecieran FT de modo que el usuario no sufra la carga del alto coste de capital de un sistema FV. Como alternativa, la medición neta puede ofrecer un mecanismo sencillo y barato para fomentar la instalación de sistemas pequeños conectados a la red. Con la adopción de la medición neta las compañías eléctricas obtienen beneficios al evitar los costes administrativos y contables derivados de medir y comprar pequeñas cantidades del exceso de electricidad producido por estas instalaciones pequeñas.

Los programas de subvención de FV pueden igualmente apoyar y fomentar la formación y la creación de la infraestructura necesaria/marco adecuado en los mercados locales, complementando las medidas existentes que financian proyectos de I+D y/o la instalación de sistemas FV para demostraciones. De esta manera se puede conseguir una difusión versátil de la tecnología FV, al tiempo que también se expande su mercado. Simultáneamente se crearía una infraestructura rígida para proporcionar servicios integrados y apoyar a los usuarios finales de FV. En este contexto, la formación deberá considerarse como componente necesario para el desarrollo satisfactorio del mercado, y además será un componente con el se que puede garantizar que se aplique en cada caso la mejor tecnología disponible y que los sistemas FV funcionen de forma eficaz y segura.

Conclusiones

Las actuales conquistas tecnológicas y el apoyo financiero ofrecen buenos presagios para el futuro de la industria FV. Sin embargo, esperamos haber mostrado que existen áreas en las que nuevas iniciativas pueden desempeñar un papel provechoso. El objetivo, en el primer caso discutido, es el futuro desarrollo de mercados locales de FV a través de la construcción de nuevas fábricas y de la transferencia tecnológica a nivel local.

El segundo caso identifica los SSD y los SFVIC como dos aplicaciones muy prometedoras de la tecnología FV (por supuesto, esta lista no es exhaustiva) cuyo papel se espera que afecte al futuro del mercado de FV. En ambos casos se puede inducir un crecimiento significativo del mercado fomentando cambios en el marco legal y financiero existente y mediante esquemas de formación y de información al público. También, la subvención de proyectos de demostración en el caso de los SSD, y de proyectos de demostración y de difusión en el caso de los SFVIC seguirá siendo un factor importante para el futuro de estas aplicaciones.

Como extensión de la primera y de la segunda área, en la tercera hemos expuesto las acciones de apoyo y hemos subrayado la importancia del apoyo al establecimiento de medidas apropiadas para el futuro desarrollo del mercado de FV.

Palabras clave

aplicaciones fotovoltaicas, medidas estratégicas, desarrollo del mercado, descentralización industrial, programas de financiación, crecimiento orientado del mercado

Nota

1- Existen otros tipos de sistemas FV (por ejemplo estaciones centrales FV) que, por razones de espacio, no podemos describir aquí.

Agradecimientos

Effie Amanatidou y Angelos Manglis (ATLANTIS Research Organization).

Referencias

Juan Carlos Ciscar. Photovoltaic Technology and Rural Electrification in Developing Countries: The Socio-economic Dimension. The IPTS Report Nº 19, 1997.

J.H.J. Kruijsen & I. Bouwmans, Strategies for the Diffusion of Photovoltaic Technologies. Comunicación presentada a la 2ª Conferencia y Exposición Mundial de Conversión de Energía Solar Fotovoltaica. Viena, Julio 1998.

Robert Hill. PV Cells and Modules. Renewable Energy World, Julio 1998.

Mark, C. Fitzgerald, The PV Industry and Infrastructure Evolution. Renewable Energy World, Julio 1998.

EAB. Photovoltaic Technologies and their Future Potential, 1994.

E.A. Alsema, P., Frankl, K., Kato, Energy Pay-Back Time of Photovoltaic Energy Systems: Present Status and Prospects. Comunicación presentada a la 2ª Conferencia y Exposición Mundial de Conversión de Energía Solar Fotovoltaica. Viena, Julio 1998.

Allan Hoffman. The New World Ahead. Status of Renewables in the United States. The Sustainable Energy Industry Journal, Nº 7, 1998.

Ishikawa, N., Kanno, A., Yamashita, H., Hatanaka, Y., Hide, I. Installation Cases with Design-Oriented PV Systems in Japan. Comunicación presentada a la 2ª Conferencia y Exposición Mundial de Conversión de Energía Solar Fotovoltaica. Viena, Julio 1998.

Camani, M., Cereghetti, N., Chianese, D., Rezzonico, S. How Long will my PV Plant Last ?. 2ª Comunicación presentada a la Conferencia y Exposición Mundial de Conversión de Energía Solar Fotovoltaica. Viena, Julio 1998.

Palz, W., PV Highlights from a European Perspective, European Commission, 1998.

Daniel, K., Benjamin, Will solar energy displace fossil fuels and halt global warning?. PERC Reports, Marzo 1998 (http://www.perc.org/tang5.html)

PV4UConnections, Reports from The Photovoltaics for Utilities (PV4U) States, The Utility Photovoltaic Group. Nº 8, Primavera 1998. (http://www.eren.doe.gov/irec/newsletter/connect8.html)

Robert, L., Bradley, Renewable Energy – Why Renewable Energy is not cheap and not green, National Center for Policy Analysis, (http://www.public-policy.org/~ncpa/studies/renew/renew1.html)

IPTS, Energy Technology Strategy 1995-2030: Opportunities Arising from the Threat of Climate change.

Forum for Energy Development (FED), Ten Percent of the World’s Electricity Consumption from Wind Energy! Is that Target Achievable?, Octubre 1998.

EUREC Agency, Photovoltaic and Architecture, The Art of Merging, (folleto), 1998.

National Center for Photovoltaics, PV FAQs: The Photovoltaic Promise … The Federal Role, 1998.

Singh, D., Thompson, G., Can Solar Photovoltaics Become the Major Source of Energy for Village Electrification and Significantly Contribute Towards the Reduction of Greenhouse Gas Emissions in the 21st Century?, Documento presentado a la Conferencia y Exposición Mundial de Conversión de Energía Solar Fotovoltaica. Viena, Julio 1998.

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Sobre el autor

Dimitris Papageorgiou es licenciado en Ingeniería Mecánica por la Universidad Aristóteles de Tesalónica y máster en Procesos de Energía Térmica por la Universidad de Cranfield. Ha trabajado desde 1997 en la Organización de Investigación ATLANTIS donde es responsable de la gestión de diversos proyectos sobre transferencia tecnológica en el campo de la energía. Sus áreas principales de estudio son las energías renovables, Combinación de Calor y Energía (CCE) y gestión medioambiental/energética.

The IPTS Report, is the refereed techno-economic journal of the IPTS,edited by D. Kyriakou, published monthly in English, French, German and Spanish.