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El Blog de Ignacio Mártil

energía fotovoltaica

Los minerales críticos, ¿el petróleo del siglo XXI?

14 febrero, 2022 Ignacio Mártil 1 COMENTARIO

En Sin categoría

A pesar de las dificultades, que se han puesto de manifiesto en la reciente cumbre de Glasgow, el sistema energético mundial se encuentra en medio de una importante transición hacia fuentes de energía limpias. Los esfuerzos de un número cada vez mayor de países y empresas para reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero exigen el despliegue masivo de una amplia gama de tecnologías, muchas de las cuales a su vez dependen de minerales críticos como el cobre, el litio, el níquel, el cobalto y las denominadas tierras raras.

Mina de litio a cielo abierto en el desierto de Jujuy (en Argentina).

A medida que la transición hacia las fuentes renovables se acelera en todo el planeta, y los paneles solares, las turbinas eólicas y los automóviles eléctricos se despliegan en una escala creciente, los mercados de los minerales críticos podrían estar sujetos a volatilidad de los precios, influencia geopolítica e incluso de interrupciones en el suministro.

Los minerales críticos traen desafíos a la seguridad energética

Un sistema energético alimentado por tecnologías renovables difiere profundamente de uno alimentado por los basados en combustibles fósiles. Las plantas solares fotovoltaicas, los parques eólicos y los vehículos eléctricos requieren más minerales que sus equivalentes dependientes de los combustibles fósiles. Un automóvil eléctrico típico requiere seis veces más minerales que un automóvil convencional y una planta eólica necesita nueve veces más recursos minerales que una central térmica de gas natural.

Los tipos de recursos minerales utilizados varían según la tecnología. El litio, el níquel, el cobalto, el manganeso y el grafito son cruciales para el rendimiento de las baterías, su longevidad y su densidad energética. Las tierras raras son esenciales para los imanes permanentes que utilizan las turbinas eólicas y para los motores de los vehículos eléctricos. Las redes eléctricas necesitan una gran cantidad de cobre y aluminio, siendo el cobre una piedra angular para todas las tecnologías relacionados con la electricidad.

Esta imagen lo muestra (fuente: Agencia Internacional de la Energía):

Requisitos de elementos químicos de las nuevas tecnologías.

Aumento sustancial de la demanda

El cambio a un sistema energético basado en tecnologías renovables impulsará un enorme aumento en los requisitos para estos minerales, lo que significa que el sector de la energía está emergiendo como una fuerza clave en los mercados de estos minerales. Hasta mediados de la década de 2010, el sector de la energía representaba una pequeña parte de la demanda total de la mayoría de los minerales. 

Sin embargo, a medida que la transición energética se acelera, se están convirtiendo en el segmento de más rápido crecimiento. La participación de las tecnologías renovables en la demanda total aumentará significativamente en las próximas dos décadas a más del 40 % para el cobre y las tierras raras, el 60-70 % para el níquel y el cobalto y casi el 90 % para el litio. De hecho, los vehículos eléctricos y el almacenamiento con baterías ya han desplazado a la electrónica de consumo para convertirse en el mayor consumidor de litio.

La garantía de suministro, un nuevo cuello de botella

A medida que los países aceleran sus esfuerzos para reducir las emisiones, también deben asegurarse de que sus sistemas energéticos sigan siendo fiables y seguros. Los actuales mecanismos internacionales de seguridad energética están diseñados para proporcionar garantías frente a los riesgos de interrupciones o picos de precios en los suministros de hidrocarburos, en particular petróleo, y en estos meses, el gas natural. Las preocupaciones sobre la volatilidad de los precios y la seguridad del suministro no desaparecerán en un sistema energético dominado por las energías renovables. Esta es la razón por la que se debe prestar mucha atención a la cuestión de los minerales críticos. 

En otras palabras, a medida que se acelera la transición energética, la energía se está convirtiendo en un importante consumidor de minerales críticos, lo que tendrá consecuencias de largo alcance para la minería de estos elementos.

La energía eólica, que hace un uso intensivo de materiales, es uno de los sectores más demandante de estos minerales en estos momentos. La energía solar fotovoltaica le sigue de cerca, debido al gran volumen de capacidad que se instala año tras año. En otros sectores, el rápido crecimiento del hidrógeno como “almacén” de energía sustenta un importante crecimiento de la demanda de níquel y circonio para electrolizadores y de metales del grupo del platino para pilas de combustible. La demanda de cobalto podría ser de 6 a 30 veces mayor que los niveles actuales, dependiendo de la evolución de la tecnología de las baterías. 

Papel crucial de la política

Del mismo modo, las tierras raras pueden tener una demanda de tres a siete veces mayor en 2040 que en la actualidad. La mayor fuente de variabilidad de la demanda proviene de la incertidumbre en torno a la velocidad con la que se pongan en marcha las políticas encaminadas a un escenario renovable. La gran pregunta es si el mundo realmente se dirige hacia un escenario cada vez más neutro en emisiones de gases de efecto invernadero. Los responsables políticos tienen un papel crucial en la reducción de esta incertidumbre, dejando claras sus ambiciones y convirtiendo los objetivos en acciones. Esto será vital para reducir los riesgos de inversión y garantizar un flujo adecuado de capital a nuevos proyectos.

Finalizo con un cuadro muy llamativo: hoy en día, los ingresos por la producción de carbón son diez veces mayores que los debidos a los minerales críticos. Sin embargo, en un escenario impulsado por la transición energética, la facturación de minerales críticos superará a la del carbón mucho antes de 2040.

El cambio de paradigma: del negocio del carbón al de los minerales críticos.

Sin la menor duda, nos encontramos en los comienzos de un nuevo mundo, lleno de expectativas, pero también de incertidumbres.

Sobre la tasa de retorno energético de la energía solar

23 marzo, 2021 Ignacio Mártil 2 COMENTARIOS

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En este post respondo a una pregunta esencial en el mundo de la energía solar fotovoltaica: ¿producen los paneles solares más energía que la que se invierte en su fabricación e instalación? Es decir, analizo el concepto de Tiempo de Amortización Energética (o TiAE) de la energía solar.

El proceso de obtención y purificación del silicio es muy costoso en términos energéticos. Eso ha dado lugar a uno de los “mantras” más duraderos y falsos que persiguen a la energía solar fotovoltaica: el elevado valor de su Tiempo de Amortización Energética o 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.

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Energía solar fotovoltaica en España: ¿un nuevo futuro?

17 septiembre, 2019 Ignacio Mártil HAZ UN COMENTARIO

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Tras varios años de parálisis, de auténtica moratoria renovable habida entre 2011 y 2016, la energía solar fotovoltaica vuelve a recuperar impulso en España. Durante el pasado 2018 y especialmente en el presente 2019, se han incrementado sustancialmente las instalaciones fotovoltaicas, gracias a las expectativas que ha creado la eliminación del denominado impuesto al sol y la progresiva supresión de trabas burocráticas, propiciadas por el nuevo marco legal establecido por la actual administración en los Reales Decretos 15/2018 y 244/2019.

Los efectos que están teniendo esos cambios legales se empiezan a notar. En efecto, si analizamos la potencia instalada en los últimos años, encontramos los siguientes datos:

2016: 55 MW / 2017: 135 MW / 2018: 262 MW

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Maduración de la tecnología fotovoltaica: los años posteriores a las crisis del petróleo

17 julio, 2018 Ignacio Mártil HAZ UN COMENTARIO

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En el anterior post de este blog describí los orígenes de la energía solar fotovoltaica, en este continúo con esa historia hasta llegar al momento presente.

La tecnología de las células solares se impulsó enormemente gracias a la industria microelectrónica, de la que tomó buena parte de sus procesos de fabricación. Gracias a ello, en muy pocos años se obtuvieron dispositivos con eficiencias de conversión de energía solar en eléctrica del 15%. El desarrollo en el ámbito espacial prosiguió durante la década de los 60 y 70. Así, en 1973 la primera estación espacial estadounidense, el Skylab, tenía instalados 20 kW de potencia en paneles fotovoltaicos. El año 1975 fue el primero en que las aplicaciones espaciales fueron superadas por las terrestres, principalmente faros y pequeñas plantas de producción de carácter experimental.

Crisis del petróleo, años 70

Las sucesivas crisis del petróleo ocurridas en 1973 (Guerra del Yom Kipur) y en 1979 (Revolución de Irán) impulsaron en los países occidentales la búsqueda de fuentes de energía alternativas, para limitar la gran dependencia del petróleo de la que adolecían las economías industrializadas.

Desde finales de los años 70, que pueden considerarse como los del despegue definitivo de esta fuente de energía, su desarrollo en el mundo ha atravesado tres fases claramente diferenciadas, que se muestran en la siguiente gráfica donde se detallan los valores de potencia de plantas de energía solar instalada en el mundo, comparados con la potencia total instalada proveniente de todas las demás fuentes de energía. Se muestra la evolución desde 1970 hasta 2010 y distingue tres fases, que se detallan en esta imagen:

Fases de la evolución de la tecnología fotovoltaica en el mundo.
Potencia eléctrica instalada en el mundo en billones de vatios (TW; 1 TW = 1.000.000.000.000) en función del año. La escala vertical es logarítmica. Fuente: Massachussets Institute of Technology.

Tres fases en la evolución de la energía solar fotovoltaica

Fase I: 1975-1985. Como ya he dicho en el párrafo precedente, las sucesivas crisis del petróleo de los años 1973 y 1979 hicieron tomar conciencia a los principales países industrializados de la necesidad de buscar fuentes de energía alternativas al petróleo, debido a los bruscos incrementos del precio del crudo (entre 1973 y 1979, el precio del barril se multiplicó por seis). De forma simultánea, la conciencia ecológica se fue extendiendo por todo el planeta y se comenzó a plantear la necesidad de limitar las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera, principalmente CO2.

Por estas razones, en Estados Unidos comenzaron los programas de estímulo a las energías no basadas en combustibles fósiles, incentivados por la administración Carter. En esos años se instalaron los primeros huertos solares experimentales, de tamaño muy reducido (decenas de kW).

Fase II: 1985-1995. Tras las mencionadas crisis del petróleo, los precios del barril se redujeron de modo significativo y se estabilizaron en valores similares a los momentos pre-crisis, lo que hizo descender el interés y las ayudas estatales e incentivos a las energías renovables.

Durante este período, las principales actividades de I+D en dispositivos fotovoltaicos corrieron a cargo de grandes empresas petroleras, siendo British Petroleum (BP) una de las más representativas. No obstante, en buen número de laboratorios de investigación se siguió mejorando la tecnología de fabricación de las células solares, superándose un año tras otro las eficiencias de conversión.

Liderazgo de los fabricantes asiáticos de paneles fotovoltaicos

Fase III: 1995-Actualidad. El uso de energías renovables se ha ido extendiendo paulatinamente en el mundo, en general, y en los países desarrollados, en particular. A comienzos del siglo XXI, numerosos países, como Alemania, España, Italia, EEUU y otros comenzaron a incentivar el uso de esta fuente de energía mediante el pago de primas por la electricidad producida.  En paralelo, los fabricantes de paneles fotovoltaicos pasaron del ámbito de las compañías petroleras y de las industrias electrónicas a ser fabricantes específicos. En la actualidad, los primeros puestos del ranking mundial de fabricantes de células solares lo ocupan empresas asiáticas, con China a la cabeza (Yingli, Hanwha, Trina) y alguna norteamericana (Canadian Solar Industries, First Solar).

Los fabricantes europeos, que tuvieron un papel muy destacado en el origen y el desarrollo de la tecnología fotovoltaica a comienzos del presente siglo (Q-cells, Isofoton), han desaparecido o han sido absorbidos por los grandes fabricantes asiáticos, que han establecido unas políticas de precios con las que es prácticamente imposible competir. En la actualidad, impulsado por el mercado chino, la energía solar fotovoltaica bate un año tras otro récords de potencia instalada, habiendo superado el umbral de los 400 GW en 2017.

Los orígenes de la energía solar fotovoltaica

19 junio, 2018 Ignacio Mártil 1 COMENTARIO

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El descubrimiento del efecto fotovoltaico, base de funcionamiento de las células solares, se remonta al siglo XIX, cuando H. Becquerel lo describió en 1839. Trabajando en el laboratorio de su padre cuando tenía diecinueve años, generó electricidad al iluminar un electrodo con diferentes tipos de luz, incluida la luz solar, al sumergirlo en un electrolito que tenía diluida un pequeña concentración de ácido nítrico, y observó que, si uno de los electrodos se iluminaba con luz solar, se generaba una diferencia de potencial entre los electrodos; fue la primera comunicación del conocido como efecto fotovoltaico (aunque no en un sólido), base del funcionamiento de las células solares modernas.

El siguiente hecho significativo surgió al estudiar el fenómeno de la fotoconductividad en el selenio. Al investigar este efecto, Adams y Day (1877) notaron una anomalía que pensaban que podría explicarse por la generación de voltajes internos. Investigaron esta anomalía con más cuidado utilizando muestras, como se aprecia a continuación. Situaron contactos de platino en los extremos opuestos de pequeños cilindros de selenio amorfo. El objetivo del experimento realizado por Adams y Day era comprobar si sería posible inducir una corriente en el selenio simplemente por la acción de la luz, como en efecto, así ocurrió. Su experiencia se muestra en la siguiente figura:

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Algunos números prácticos sobre los paneles fotovoltaicos

14 mayo, 2018 Ignacio Mártil 1 COMENTARIO

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La energía solar fotovoltaica, junto con la eólica, son las dos tecnologías renovables que más están contribuyendo a la transición hacia un modelo energético sostenible en el planeta. Los principales países industrializados (China, EEUU, Japón, Alemania, etc.) baten records, un año tras otro, de nueva potencia fotovoltaica instalada.

Todos los sistemas fotovoltaicos, desde los destinados a autoconsumo personal a los grandes huertos solares, están integrados por paneles solares, en cantidades variables, desde unas pocas decenas en el primer caso, hasta varios millones en el segundo. En este post, describo algunas peculiaridades de los paneles.

  1. – ¿Cómo es y cuánta electricidad produce un panel solar?

Un módulo fotovoltaico se construye mediante la conexión eléctrica de células solares con objeto de incrementar la potencia de salida del conjunto, ya que una célula aislada produce una cantidad de potencia pequeña (4 – 4,5 W), de escasa utilidad práctica. El módulo debe protegerse del ambiente y también se debe proteger a sus usuarios de posibles descargas eléctricas.

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El concepto de Paridad de Red en el mercado eléctrico

13 marzo, 2018 Ignacio Mártil HAZ UN COMENTARIO

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La «paridad de red» se define como el momento temporal en el que una fuente de energía renovable produce electricidad a un coste igual o menor al precio de compra de energía de la red eléctrica.

Establecer los condicionantes que determinan el precio de la electricidad es una cuestión compleja, que varía mucho de un país a otro y que en el caso de España he explicado con algún detalle en este artículo. En general, en cualquier país, el precio de la electricidad se ve fuertemente influido por factores tales como el nivel de la demanda, el precio de los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas), los costes indirectos (muy variables de una nación a otra), etc. Como consecuencia, el precio de la electricidad varía de hora en hora, por lo que no se puede hablar de un precio de ésta sino de un margen para el mismo.

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¿Qué razones hay para promover el autoconsumo de energía eléctrica?

14 febrero, 2018 Ignacio Mártil 1 COMENTARIO

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Continúo en este post el análisis del autoconsumo de energía eléctrica. Tras describir en el anterior post en qué consiste, en esta ocasión desgrano las principales razones para promoverlo y las dificultades a las que se enfrenta en España.

Además de obtener toda o parte de la energía requerida al cabo del día, el autoconsumo doméstico de energía eléctrica presenta otras ventajas:

– Permite y posibilita la independencia energética, con lo que disminuye la factura por la importación de combustibles fósiles, principalmente gas. El gas es el combustible que utilizan las centrales de ciclo combinado de las que hay instalados 27.000 MW en la actualidad, la cuarta parte de toda la potencia instalada en España. Los principales suministradores de gas natural son Argelia, Nigeria y Rusia, países con situaciones políticas frecuentemente inestables, lo que puede comprometer el suministro de manera regular y continuada en el tiempo.

– Facilita el desarrollo de industrias propias, que promueven empleos de alta cualificación. El autoconsumo favorecería al sector renovable, lo que a su vez llevaría aparejado un impulso a la creación de empleo cualificado, estable y repartido por todo el territorio nacional.

– Promueve un tipo de consumo distribuido y cercano al punto de consumo, evitando los impactos de toda índole de las grandes redes de distribución (daños medioambientales, pérdidas de energía en el transporte). La energía fotovoltaica es esencialmente simple y modular en lo que a instalación se refiere y se puede adaptar perfectamente a las necesidades de diferentes tipologías de hogar sin sobrecostes significativos. Además, favorece un consumo responsable y eficiente, al ser cada ciudadano autosuficiente en sus necesidades y, por lo tanto, facilita la toma de conciencia respecto a un consumo limitado y ajustado, minimizando el derroche energético propio de los países industrializados.

– Minimiza las emisiones de CO2, asociadas al consumo energético en los hogares, al eliminarse la electricidad generada mediante combustibles fósiles.

– Es rentable en términos económicos. Como tuve ocasión de detallar en otro artículo, una instalación de autoconsumo puede costar cerca de 6.000 euros –sin elementos de almacenamiento– para un hogar medio integrado por tres personas. Con los niveles de irradiación anuales de la mitad meridional de la península, Baleares y Canarias y al coste actual de los diferentes elementos que integran la instalación (paneles solares, inversor, regulador, etc.), con los tipos de interés vigentes y una evolución de inflación en el entorno del 2%, la inversión se amortizaría en un plazo de 6-8 años, siempre y cuando el balance neto esté regulado adecuadamente, es decir, el usuario de una instalación de autoconsumo pueda volcar a la red el exceso que produce en las horas centrales del día, recibiendo remuneración por ello, mientras que en los días nublados y por la noche, consume de la red la energía necesaria.

La figura muestra un esquema de la instalación con el doble contador para gestionar el tráfico de energía bidireccional (de la instalación a la red y viceversa):

autoconsumo fotovoltaico
Esquema de una instalación de autoconsumo con balance neto. Imagen: Autoconsumo fotovoltaico.

¿Qué dificultades encuentra el autoconsumo?

Principalmente dos:

Legales: el Real Decreto 900/2015 de 9 de octubre de 2015, regula las condiciones, procedimientos, penalizaciones, etc. al autoconsumo de electricidad. El Decreto necesita ¡¡44 páginas!! para describir la casuística y las trabas de todo tipo a las instalaciones, al volcado de energía a la red, a los pagos por la utilización de ésta, etc.

Arquitectónicas: una de las principales limitaciones que tiene la energía solar fotovoltaica es que para producir cantidades significativas de energía requiere de apreciables cantidades de terreno. Tal y como he descrito en este artículo, para unos niveles de iluminación como los que tenemos en promedio, en la Península Ibérica y con un consumo energético también promedio, se necesitan alrededor de 8-10 metros cuadrados de paneles fotovoltaicos por persona para cubrir ese consumo.

Dado que en España, alrededor del 65% de la población vive en bloques de pisos, frente al 46% de la media europea, el problema es muy evidente. Para poder ser una práctica generalizada, el autoconsumo debería plantearse en términos colectivos, tipo cooperativa; no parece sencillo poder llevarlo a cabo en el corto plazo.

Desarrollo tecnológico y eficiencia energética de la energía solar fotovoltaica

27 febrero, 2017 Ignacio Mártil 3 COMENTARIOS

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El desarrollo tecnológico alcanzado por la energía solar fotovoltaica en los últimos 10-15 años es, sencillamente, impresionante. La eficiencia de las células solares se incrementa un mes tras otro de manera que, en algo más de una década, hemos pasado de paneles con un 12% de eficiencia de conversión de la energía solar en eléctrica a paneles con un 20%. No hay ninguna otra tecnología de generación de energía que haya mejorado sus niveles de eficiencia a este ritmo en las últimas dos décadas. Las centrales basadas en combustibles fósiles tienen un rendimiento de generación de energía eléctrica neta de un 30%, cifra al alcance de la fotovoltaica.

Además, en los últimos años se ha conseguido una drástica mejora de dos factores relacionados con la eficiencia energética de la fotovoltaica, que han frenado su desarrollo durante mucho tiempo.

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Energía solar fotovoltaica, ¿la solución al problema energético?

11 noviembre, 2016 Ignacio Mártil 3 COMENTARIOS

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  1.  Desarrollo tecnológico y eficiencia energética de la energía solar fotovoltaica

El desarrollo tecnológico alcanzado por la energía solar fotovoltaica en los últimos 10-15 años es, sencillamente, impresionante. La eficiencia de las células solares se incrementa un mes tras otro, de manera que en algo más de una década hemos pasado de paneles con un 12% de eficiencia de conversión de la energía solar en eléctrica a paneles con un 22%. No hay ninguna otra tecnología de generación de energía que haya mejorado sus niveles de eficiencia a este ritmo en las últimas dos décadas. Las centrales basadas en combustibles fósiles tienen un rendimiento de un 30%-40%, cifra no muy alejada de la fotovoltaica.

Además, en los últimos años se ha conseguido una drástica reducción de un factor que ha frenado el desarrollo de la fotovoltaica durante mucho tiempo: el tiempo necesario para que un panel solar produzca tanta energía como la que se utilizó en su construcción e instalación (Tiempo de Amortización Energética o Energy Pay Back Time en inglés, en lo que sigue EPBT). Los datos demuestran que la EPBT ha pasado de casi ¡cincuenta años! en 1970 y más de tres en 1990, a poco más de siete meses en la actualidad. Hoy día, el EPBT en la mitad meridional de España está comprendido entre 6 meses y 1,4 años.

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Ignacio Mártil

Ignacio Mártil

Soy Doctor en Física (1982) y Catedrático de Universidad (2007) en el área de Electrónica. Realizo mi actividad investigadora en la Universidad Complutense de Madrid, de carácter marcadamente experimental, en el campo de la física de los semiconductores. Soy especialista en propiedades eléctricas y ópticas de estos materiales, así como en dispositivos electrónicos y opto-electrónicos basados en ellos, siendo mi principal objetivo en la actualidad el estudio de conceptos avanzados en células solares.

Mi trabajo científico se concreta en los siguientes indicadores principales: soy co-autor de más de 150 artículos científicos publicados en revistas de alto impacto de ámbito internacional; he presentado cerca de 100 ponencias en congresos internacionales; he participado y participo, como Investigador Principal o como miembro del equipo investigador, en 22 proyectos de investigación financiados con fondos públicos en concurrencia competitiva; he dirigido 7 Tesis Doctorales; finalmente, soy evaluador de publicaciones (“referee”) de 15 revistas científicas internacionales.

Soy miembro de la Real Sociedad Española de Física y realizo un intensa labor divulgativa mediante mi blog personal "Un poco de Ciencia, por favor", que se encuentra alojado en el diario Público

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