En este artículo muestro un breve mix de ciencia (obtención del silicio), geopolítica (hegemonía de China) y economía (evolución de costes de la energía solar fotovoltaica).
Ciclo de obtención de un módulo fotovoltaico a partir de su materia prima: el silicio. Aquí me detengo en la obtención del silicio
La industria de producción de energía solar fotovoltaica debe su éxito, entre otras razones, a la obtención de silicio de alta pureza y a la fabricación de paneles solares a unos precios extraordinariamente competitivos. Aquí lo detallo.
1. Ciencia: obtención del silicio
La materia prima de la industria fotovoltaica es arena rica en cuarzo, una forma cristalina del óxido de silicio. Las fábricas de silicio la calientan a 1.900°C en hornos de arco eléctrico con algo de carbono, en forma de coque. El oxígeno de la arena reacciona con el carbono para crear óxido de carbono, dejando «polisilicio» fundido. Este paso necesita mucha energía para su realización
SiO2 + C ? Si + CO2
A continuación se enfría, se tritura y se hace reaccionar con ácido clorhídrico para producir un líquido volátil llamado triclorosilano, que se destila repetidamente para eliminar todo rastro de impureza.
Si + 3HCl ? SiHCl3 + H2
SiHCl3 + H2 ? Si + 3HCl
Las fábricas más avanzadas purifican eses silicio denominado de «grado metalúrgico», hasta alcanzar una pureza de «10 nueves», lo que significa que el polisilicio que obtienen tiene una pureza del 99,99999999%. Ese silicio se denomina de «pureza electrónica».
Diagrama de flujo del proceso de producción de silicio de grado de pureza electrónico
Hasta principios de este siglo, el silicio de pureza electrónica era el dominador absoluto del mercado, que lo adquirían las industrias que fabrican chips. La industria de las células solares vivía de las «sobras». Pero mediados de la década de 2000, las subvenciones gubernamentales de gran número de países (entre ellos el nuestro) con objeto de fomentar las energías renovables, hicieron que la demanda de energía fotovoltaica aumentara la demanda de silicio purificado más de lo que la industria de los chips podía prescindir. Al subir el precio del silicio, buen número de empresas de Asia empezaron a hacer grandes inversiones para construir fábricas de obtención y purificación de silicio destinadas a abastecer a la industria fotovoltaica.
2. Geopolítica: China, primer productor mundial de silicio fotovoltaico
China tomó rápidamente la delantera, y la mantuvo. En 2023, las empresas chinas fabricaron el 93% de todo el silicio mundial destinado a células solares. Algunas de estas industrias son fabricantes integrales y también fabrican las células solares. Otras venden el silicio convenientemente purificado a otras empresas que se encargan de cortarlo en obleas y pulirlo para fabricar las células solares.
Los fabricantes del silicio se benefician del hecho de que son actores clave en la estrategia industrial de China. Ha habido algunas quiebras, pero el gobierno chino ha concedido préstamos a muchas empresas sobre endeudadas. Los dos mayores productores de silicio de China, GCL-Poly y Tongwei, tenían cada una en 2023 la capacidad de producción de 370.000 toneladas, más que suficiente para satisfacer la demanda mundial. Tongwei está invirtiendo unos 4.000 millones de dólares en una nueva planta que, con el tiempo, podrá producir 400.000 toneladas al año. China tiene en proyecto instalaciones capaces de producir 7 millones de toneladas al año, suficientes para fabricar 3.5 TW anuales de paneles solares.
En términos de la cantidad de silicio que tales fábricas requerirían, esas cantidades son enormes. Pero conviene señalar que, en comparación con las necesidades de material de otras tecnologías energéticas, son ínfimas. Por ejemplo, la producción de carbón necesita unos 8.000 millones de toneladas al año; si a esto le añadimos el petróleo y el gas, la cifra se duplica.
La industria china es también ferozmente competitiva en el sentido en que sólo pueden serlo las empresas que fabrican más o menos lo mismo, pero eso no deja de ser un inconveniente. Esto se debe a que las células solares son productos estandarizados que se fabrican siguiendo pasos muy similares de un fabricante a otro. Por lo tanto, los fabricantes compiten ferozmente tratando de abaratar costes, ya sea fabricando células que producen fraccionalmente más electricidad para un nivel de iluminación determinado o que cuestan menos. Pero el «menos», en este caso, es ínfimo.
La energía solar fotovoltaica no sólo genera una competencia incesante en el lado de la oferta. También genera una demanda increíblemente diversa gracias a la que tal vez sea la mayor ventaja de la tecnología: su modularidad. Lo revolucionario de la energía solar es que se dirige a todo tipo de clientes. Desde el ciudadano que compra un cargador de 2 euros para su teléfono móvil hasta la empresa que desarrolla centrales fotovoltaicas de 1 GW, todos los que usan energía solar compran básicamente el mismo producto. No hay ninguna otra tecnología de generación de energía en la que se instale una unidad o un millón de unidades del mismo producto, dependiendo de la aplicación. No es imaginable un ciudadano instalando una central nuclear en el tejado de su casa para su autoconsumo de energía eléctrica.
3. Economía: la asombrosa reducción de precios de los paneles solares
La clave de cómo crece esta demanda hay que buscarla en la «curva de aprendizaje» del sector. Desde mediados de la década de 1970 hasta principios de la de 2020, la potencia instalada acumulada de energía fotovoltaica se multiplicó por un millón. En ese intervalo de tiempo, los precios se redujeron 500 veces (de ~100 €/W en 1970 a 0.2 €/W en 2020). Eso representa una disminución del 21% de los costes cada vez que se duplicó la capacidad instalada, lo que significa una reducción a la mitad de los costes cada vez que la capacidad instalada aumenta un 360%.
Curva de aprendizaje de la tecnología fotovoltaica. A medida que aumenta la capacidad instalada acumulada, el precio de la energía solar disminuye exponencialmente. Durante más de cuatro décadas, el precio de los paneles solares se ha reducido un 20% con cada duplicación de la capacidad acumulada mundial
10Los paneles solares no sólo se han abaratado más rápidamente que la otra gran tecnología renovable, la eólica, sino que además han pasado relativamente desapercibidos. En el caso de la energía eólica, un generador de mayor eficiencia significa turbinas más grandes, en torres más grandes, lo que implica un gran impacto visual. En el caso de las instalaciones fotovoltaicas y aún a pesar de que cubrir extensiones de tierra con ellos molesta a algunas personas en algunos lugares, en general los paneles solares son populares, gozan de más «licencia social» que cualquier otra forma de generación de energía, ya sea renovable, fósil o nuclear. Y esto no ha hecho más que empezar.
El crecimiento exponencial de la energía solar: una nueva era de energía barata e ilimitada
Recientemente, la prestigiosa revista británica The Economist ha publicado un artículo dedicado a destacar el futuro de la energía solar en el mix energético global. Dado su interés y debido a que solo se puede leer en inglés y bajo suscripción, ofrezco aquí los contenidos principales del artículo, con algunas aportaciones personales que creo que serán de interés, en especial el contenido gráfico, que es todo personal, así como todos los enlaces a las diversas fuentes que aparecen en el texto. También he modificado la redacción de algunos párrafos para hacerlos más comprensibles, e incorporado nuevos datos que refuerzan las tesis del mencionado artículo.
1. ¿Cuándo empezó esto?
Hace 70 años que los Bell Labs de AT&T presentaron una nueva tecnología para convertir la luz solar en energía. El 25 de abril de 1954, Calvin Fuller, Gerald Pearson y Daryl Chapin, anuncian la invención de primera célula solar de silicio operativa. La compañía telefónica esperaba poder sustituir las baterías que hacían funcionar los equipos en lugares a los que no llegaba la energía eléctrica. Lo dieron a conocer en un acto de prensa en el que una de esas células solares iluminada con una lámpara hacía girar sin parar una noria de juguete.
Arriba: la «noria fotovoltaica» de Bell Labs. Abajo: la primera aplicación de las células solares: las estaciones telefónicas remotas
2. El presente y el previsible futuro
Hoy en día, la energía solar ha superado con creces la fase de juguete. Los paneles ocupan ya 10.000 km2 (la superficie de Asturias) y este año suministrarán al mundo cerca del 6% de su electricidad, es decir, casi el triple de toda la energía eléctrica que consumía Estados Unidos en 1954. Sin embargo, este crecimiento histórico es sólo el segundo aspecto más llamativo del auge de la energía solar. El primero y más destacable es que no ha hecho más que empezar.
Potencia solar fotovoltaica (en GW) instalada acumulada en todo el mundo de 2019 a 2023 y previsión hasta 2028
Calificar de exponencial el auge de la energía solar no es una hipérbole, sino una constatación. La capacidad solar instalada se duplica aproximadamente cada tres años y se multiplica por diez cada década. Rara vez se observa un crecimiento tan sostenido en nada que sea importante. Hace diez años, cuando era una décima parte de su tamaño actual, la energía solar era considerada marginal incluso por los expertos que sabían lo rápido que había crecido. La próxima multiplicación por diez equivaldrá a multiplicar por ocho todo el parque mundial de reactores nucleares en menos del tiempo que se tarda normalmente en construir uno solo de ellos.
Las células solares serán con toda probabilidad la mayor fuente de energía eléctrica del planeta a mediados de la década de 2030. En la década de 2040 podrían ser la mayor fuente no sólo de electricidad, sino de toda la energía. Si se mantienen las tendencias actuales, el coste total de la electricidad que produzcan promete ser menos de la mitad de la más barata disponible hoy en día. Esto no detendrá el cambio climático, pero podría ralentizarlo mucho más rápido. Gran parte del mundo –incluida África, donde 600 millones de personas aún no pueden iluminar sus hogares– podrá acceder a una energía abundante y barata. Será una sensación nueva y transformadora para la humanidad.
Para comprender que no se trata de un sueño delirante de los ecologistas, pensemos en la «curva de aprendizaje» de la tecnología fotovoltaica. A medida que aumenta la producción acumulada de un producto manufacturado, bajan los costes. Al bajar los costes, aumenta la demanda. Al aumentar la demanda, aumenta la producción, los costes siguen bajando y vuelta a empezar. Eso es exactamente lo que le está pasando a la energía solar fotovoltaica desde hace 50 años. La gráfica lo ilustra:
Curva de aprendizaje de la industria fotovoltaica, para el período 1976-2023
Obviamente, esto no puede durar eternamente: la producción, la demanda o ambas siempre se ven limitadas. En las transiciones energéticas anteriores –de la madera al carbón, del carbón al petróleo o del petróleo al gas–, la eficiencia de la extracción crecía, pero acababa compensada por el coste de encontrar cada vez más combustible.
La energía solar no se enfrenta a esa limitación, pues no hay problema de encontrar más «combustible». A lo que se añaden otros factores únicos: los recursos necesarios para producir células solares e instalarlas en huertas solares son arena rica en silicio, lugares soleados e ingenio humano, los tres abundantes. Para fabricar las células también se necesita energía, pero la energía solar también la está haciendo abundante. En cuanto a la demanda, es enorme y elástica: si abaratas la electricidad, la gente le encontrará nuevos usos. El resultado es que, a diferencia de las fuentes de energía anteriores, la energía solar se ha abaratado sistemáticamente y seguirá haciéndolo.
3. Limitaciones y cuellos de botella
Dada la propensión de los humanos a vivir fuera de las horas diurnas, la energía solar necesita complementarse con almacenamiento y con otras tecnologías. Estos problemas pueden resolverse a medida que las baterías y los combustibles creados por electrólisis se vayan abaratando. Por otro lado, la industria pesada, la aviación y el transporte de mercancías son difíciles de electrificar.
Otro problema no menor es que la inmensa mayoría de los paneles solares del mundo, y casi todo el silicio purificado con el que se fabrican, proceden de China. Su industria solar es muy competitiva, está fuertemente subvencionada y está superando la demanda actual, todo un logro si se tiene en cuenta toda la capacidad solar que China está instalando dentro de sus propias fronteras. Esto significa que la capacidad china es lo suficientemente grande como para mantener la expansión durante años, incluso si algunas de las empresas implicadas se hunden y algunas inversiones se agotan.
Los 10 mayores fabricantes de módulos fotovoltaicos del mundo. Son todos chinos (a pesar del nombre, Canadian Solar también es un fabricante chino)
A largo plazo, un mundo en el que se genere más energía sin el petróleo y el gas que proceden de países inestables u hostiles políticamente será más fiable. Aun así, el hecho de que una industria vital resida en su práctica totalidad en un solo país es preocupante, preocupación que Estados Unidos y Europa sienten vivamente y por eso han puesto aranceles a los módulos solares chinos.
En todo caso, la energía barata y abundante hará posibles nuevos usos y actividades. Gente que nunca podría permitírselo empezará a iluminar sus casas. La energía barata puede purificar el agua e incluso desalinizarla, puede hacer funcionar la maquinaria de la inteligencia artificial, puede hacer que miles de millones de hogares y oficinas sean más soportables en veranos que, durante las próximas décadas, serán cada vez más calurosos.
El Sol iluminará en las próximas décadas un mundo en el que nadie necesitará prescindir de la electricidad y en el que el acceso a la energía fortalecerá a todos aquellos a los que llegue.
Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física
