Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 1 de mi libro: "Energía Solar. De la utopía a la esperanza"; 2020, Guillermo Escolar Editor)

La energía solar está de moda, casi a diario oímos en los medios de comunicación noticias referidas a esta fuente energética, aunque vinculadas a cuestiones no siempre relacionadas con sus bases científicas, sino con aspectos jurídicos que regulan la posibilidad del autoconsumo de energía eléctrica, litigios en tribunales internacionales, por no hablar del polémico abandono por parte de la administración Trump del acuerdo sobre el clima firmado en París en diciembre de 2015, que tan negativamente puede afectar al planeta en su conjunto.

A pesar de todos esos conflictos y controversias, los paneles fotovoltaicos han venido para quedarse. Hay países, como China, Alemania o Japón donde su crecimiento en este siglo resulta sencillamente impresionante. Por ejemplo, en China se instalaron 34,5 GW de potencia solar en 2016 [1], casi toda la que hay en Alemania, el país líder de esta fuente energética en Europa. Sin embargo, trasciende muy poco de su ciencia o de su tecnología, más allá de ser muy evidente su presencia cuando circulamos por carreteras donde hay un huerto solar o al lado de domicilios que disponen de paneles para su propio autoconsumo.

En este artículo voy a analizar y a tratar de responder a algunas interrogantes y algunas curiosidades muy poco conocidas para el lector no especializado en sistemas fotovoltaicos.  El artículo se estructura en cuatro preguntas que afectan tanto al aprovechamiento práctico de la energía que producen los paneles solares, como a la ciencia de los dispositivos fotovoltaicos.

1. ¿Por qué se necesita tanta superficie de paneles fotovoltaicos para producir energía?

Un problema importante que presenta la energía solar fotovoltaica y en general, todas las energías de origen renovable, es lo que se denomina su baja densidad energética, es decir que la energía que produce por unidad de superficie es muy reducida por comparación con el contenido energético que tienen los combustibles no renovables. Además, mientras que los metros cúbicos, litros o kilogramos de gas, fuel, carbón o uranio se pueden almacenar fácilmente "en vertical", ocupando poco espacio (bombonas, depósitos, almacenes, etc.), los paneles solares solo se pueden desplegar "en horizontal", lo que unido a la baja densidad energética señalada, conduce a que una instalación de producción de energía eléctrica con paneles solares ocupa extensiones de terreno muy elevadas, cuestión especialmente problemática si se quieren producir cantidades de energía comparables a las que se generan en las centrales que utilizan combustibles fósiles.

En efecto, la superficie que ocupa una central térmica convencional con todos sus elementos (caldera, torres de refrigeración, estación de transformación, etc.) no supera el km² y dispone de una potencia del orden de 1.000 MW. En contraposición, una central solar con una potencia comparable, como la de la central fotovoltaica mayor del mundo, el Parque Solar de la Presa de Longyangxiaen, situado en la meseta tibetana, ocupa una extensión de alrededor de 25 km². Dicha central suministra 850 MW, para lo que necesita utilizar unos 4 millones de paneles solares:

 Imagen tomada por satélite en enero de 2017 del Parque Solar de Longyangxia. En la esquina inferior derecha y a escala, se muestra un cuadro negro que representa la superficie que ocupa la central nuclear de Trillo (Guadalajara, España), que posee una potencia nominal de 1.067 MW

2. ¿Se pueden abastecer las necesidades mundiales de energía eléctrica con paneles?

Fruto de esa limitación, cualquier instalación de producción de energía fotovoltaica es muy demandante de terreno. Ahora bien, dado el enorme aporte energético que nos llega del sol, podemos plantearnos cuanta superficie se necesitaría cubrir con paneles solares para satisfacer las demandas energéticas globales.

La energía eléctrica producida en el mundo en el año 2014 (el más reciente para el que disponemos de datos globales) fue 22.657 TWh. Esa energía se podría producir con una instalación de paneles solares con una eficiencia energética total del 12% (valor característico de la mayoría de los sistemas fotovoltaicos comerciales, incluyendo en esa cifra todos los factores de pérdidas posibles, tales como eficiencia de las células solares que los integran, temperatura de trabajo, posible efectos de sombras entre los módulos, etc.), situada en el desierto del Sahara que ocupara un cuadrado de 380 km × 380 km = 144.400 km² [2]:

Izquierda: hipotética instalación de paneles solares situada en el desierto del Sahara que podría producir toda la energía eléctrica consumida en el mundo. Derecha: superficie de terreno que habría que cubrir con paneles solares para satisfacer la demanda de energía eléctrica en España.

Es evidente que una instalación de tal magnitud, así como el transporte de la energía producida al resto del planeta hacen que la idea sea cercana a la ciencia ficción, pero ilustra perfectamente el inmenso potencial que tiene el recurso solar.  De hecho, hace años se puso en marcha una iniciativa internacional, denominada Desertec (que no cristalizó) y muy recientemente otra denominada TuNur, que pretende producir energía eléctrica mediante una combinación de tecnologías situadas en ese desierto (esencialmente, paneles fotovoltaicos e instalaciones termoeléctricas) y transportarla a Europa a través de cables submarinos.

Si restringimos el análisis anterior a una escala doméstica, utilizando los datos de producción de energía eléctrica de España en el año 2016 (265 TWh), una superficie de 54 km × 54 km = 2.916 km² (el 24% de la superficie de la provincia de Guadalajara, por ejemplo) cubierta con paneles solares proporcionaría toda esa energía [3].

3. ¿Producen los paneles solares más energía que la que se invierte en su fabricación e instalación?

Más del 90% de los paneles solares instalados en el mundo son de silicio. El silicio es el elemento sólido más abundante en la corteza terrestre, cerca del 28% de la composición química de esta es silicio, pero no se encuentra como elemento, sino formando compuestos, principalmente cuarzo (SiO₂). Para poder utilizarlo en la fabricación de paneles solares hay que extraerlo y posteriormente purificarlo hasta alcanzar un grado de pureza elevadísimo, no inferior al 99,99999%. La consecuencia inmediata que se desprende de estos condicionantes tan estrictos, es que el proceso de obtención y purificación es muy costoso en términos energéticos. Eso ha dado lugar a uno de los "mantras" más duraderos que persiguen a la energía solar fotovoltaica: su elevado Tiempo de Amortización Energética (en lo que sigue TiAE) es decir, el tiempo durante el que los paneles solares deben estar funcionando para producir la energía que se invirtió en su fabricación. En efecto, durante años se dijo que la energía solar fotovoltaica jamás sería rentable ya que su TiAE era similar o superior al tiempo de vida útil de los paneles. Esto se quedó como una de las "verdades" en contra de su utilización, desmentido por datos perfectamente contrastables.

El origen de esta idea se encuentra en los primeros años del surgimiento de esta fuente energética. En aquella época, hacía 1955, -hace seis décadas- y debido a que la eficiencia de las células solares de aquel entonces era muy reducida, sí se empleaba más energía para fabricar una célula de la que ésta era capaz de producir durante su vida útil, pero hoy en día esto ya no es cierto en absoluto, tal y como se muestra en la siguiente gráfica:

 Evolución del TiAE para una instalación fotovoltaica localizada en una región con un nivel de irradiación anual de 1.500 kWh/m², desde 1990 hasta el momento presente.

En una instalación localizada en una zona con niveles de irradiación similares a los del centro de la Península Ibérica, la evolución del TiAE ha pasado de ser superior a tres años en 1990, a algo menos de uno en la actualidad. Puesto que un panel fotovoltaico tiene una vida operativa de unos 25-30 años, más del 95% de ese tiempo la pasa produciendo energía neta adicional a la que se empleó en su fabricación e instalación.

4. ¿Cómo será el futuro de la energía solar fotovoltaica?

Es interesante realizar un paralelismo entre los orígenes y la evolución hasta el día de hoy de la telefonía móvil y compararlo con la misma evolución experimentada por la energía solar fotovoltaica desde 1984, año en el que se comercializó el primer teléfono móvil propiamente dicho -el célebre Motorola Dynatac 8000x-, hasta el momento presente:

Evolución histórica de la telefonía móvil y de la energía solar fotovoltaica para el período 1984-2017

En dicho período, el número de teléfonos móviles se ha multiplicado por 15.000 y la potencia solar fotovoltaica instalada lo ha hecho por 2.000. Dado el crecimiento sostenido experimentado un año tras otro por esta fuente de energía, es altamente que probable que en un plazo de 10 a 15 años la energía solar fotovoltaica estará tan presente en nuestras vidas como lo está hoy en día el teléfono móvil.

Hace cuatro décadas, las células solares no pasaban de ser una mera curiosidad científica con escasas aplicaciones prácticas (fuente de energía de satélites artificiales, faros de costa y poco más). Desde el comienzo del presente siglo, se han convertido en un elemento esencial para propiciar un cambio de modelo energético; ese cambio permitirá mitigar los efectos nocivos que sobre el clima del planeta tiene el uso masivo de los combustibles fósiles, el paradigma energético dominante.

Notas

[1] La potencia eléctrica se mide en vatios (W) y sus diversos múltiplos (kW, mil vatios; MW, un millón de vatios; GW, mil millones de vatios y TW, un billón de vatios). La energía eléctrica se mide en vatios-hora (Wh) y sus múltiplos, similares a los de la potencia (kWh, MWh, etc.). La energía que produce una instalación con una determinada  potencia, se obtiene sin más que multiplicar dicha potencia por el tiempo de funcionamiento.

[2] El cálculo esta hecho de la siguiente forma:

Superficie de los paneles = Energía producida en un año/ (densidad de radiación solar incidente ´ eficiencia del sistema fotovoltaico).

El valor de la densidad de irradiación en promedio anual para el desierto del Sahara es 2.600 kWh/m². Para el cálculo he supuesto que en una instalación fotovoltaica la superficie que ocupan los paneles representa el 50% del total, para facilitar el acceso a los diversos componentes de la misma de cara a su mantenimiento, reparación o sustitución.

[3] El cálculo es idéntico al realizado para obtener la producción mundial de energía eléctrica, suponiendo ahora una densidad de irradiación anual promedio para la Península Ibérica de 1.500 kWh/m².