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Variados y profundos son los problemas actuales que afronta la humanidad, en cuyas soluciones la educación juega un papel trascendente a través de la enseñanza de valores que contribuyen a mejorar la convivencia humana en el plano tecnológico, ecológico y social. El problema energético es uno de ellos, porque es vital para el futuro del planeta, por lo que constituye uno de los temas prioritarios de la ciencia y con mucha más razón de la Física. La energía es, al mismo tiempo, una solución y un problema para el desarrollo sostenible; hace posible el avance y, sin embargo, es una de las principales causas de contaminación del hábitat al originar perjuicios para la salud humana y el medio ambiente.

 

El devenir energético mundial es capital por su incidencia en la mayoría de nuestros principales problemas. Nuestras economías utilizan combustibles que, además de no ser renovables, ocasionan daños al entorno en que habitamos. Los actuales sistemas energéticos están alterando el clima global con la emisión a la atmósfera de enormes cantidades de carbón, más de una tonelada anual por habitante del planeta. Una educación energética aceptable desde el punto de vista ambiental conlleva la formación de hábitos que garantizan una sociedad viable. Resulta escencial asumir una estrategia que permita la creación de un mundo próspero y sano. La misma comunidad científica ha aceptado que el futuro desarrollo tiene que ir unido al desarrollo de nuevas fuentes energéticas que favorezcan el mejoramiento de la calidad de vida.

 

Desarrollo tecnológico y bienestar social implican mayor consumo energético, por lo que resulta obvio preguntarnos, ¿en que sentido evolucionará esta relación? La respuesta resulta trivial. El consumo cada vez creciente de energía no podrá ser satisfecho por las llamada fuentes tradicionales basadas en los combustibles fósiles: carbón, gas y petróleo, por lo que éstas deberán ser sustituidas paulatinamente por otras fuentes, que a su vez sean renovables¹.

 

Las fuentes renovables de energía son aquellas que, administradas de modo adecuado, pueden explotarse ilimitadamente, es decir, la cantidad disponible no disminuye a medida que se aprovecha. Para tener una política de desarrollo sostenido es indispensable que la mayoría de los recursos, particularmente la energía, sean del tipo renovable.

 

De todas las fuentes renovables, la energía solar es la única que puede ser aprovechada en todo el planeta, independientemente del clima o la geografía, sin detrimento al ambiente y –teóricamente- con la capacidad de satisfacer las necesidades energéticas de la población mundial. Las celdas solares son dispositivos capaces de transformar directamente la energía solar en energía eléctrica, llamada comúnmente energía fotovoltaica.

 

El objetivo de todas las fuentes renovables, y la fotovoltaica no es la excepción, es generar energía eléctrica a bajos costos que permitan competir con la producción de energía eléctrica que se obtiene de combustibles fósiles y nucleares. Fabricar celdas solares con alta eficiencia de conversión es uno de los propósitos fundamentales en aras de disminuir el precio del kWh de energía eléctrica.

En el presente trabajo se analizará el problema de la educación energética, propiciando la creación de paradigmas que impidan el uso indiscriminado de los combustibles fósiles como fuente de energía, al tiempo de invocar a la necesidad del uso de la energía solar y más específicamente el empleo de celdas solares fotovoltaicas de alta eficiencia para poder lograr un desarrollo sostenible.

El consumo de combustibles fósiles

Durante años hemos venido escuchando que el petróleo, y los demás combustibles fósiles, se agotarán, pero continuamos con su explotación creciente como si tal sentencia fuera infundada. Muchos reportan cifras diversas de reservas probadas de combustibles fósiles, sin embargo es generalmente aceptado que se tienen reservas de alrededor de 1×1012 barriles de petróleo, 1×1012 toneladas métricas de carbón, 150×1012 m3 de gas y 3×106 toneladas métricas de uranio². Los mercados internacionales de combustibles fósiles están atentos a las cifras de reservas, especialmente las probadas, definidas como combustibles fósiles que pueden recuperarse a partir de depósitos conocidos bajo las condiciones económicas y operativas actuales, y que han sido identificados por medio del análisis de información geológica y de ingeniería. Las reservas probadas se pueden clasificar como desarrolladas y no desarrolladas. El consumo promedio anual de petróleo constituye aproximadamente el 3% de la reserva probada. Muchos especialistas han diseñado modelos para determinar cuándo ocurrirá el “pico del petróleo”, es decir, el año en que la producción de petróleo será máxima y después comenzará a declinar. Varios modelos coinciden como fecha probable del “pico del petróleo” alrededor de los año 2006-2007.

Por otra parte, el consumo anual de gas es equivalente al 1.6% de las reservas y la generación nuclear de electricidad agota por año el 2% de las reservas de uranio. Noticias de reservas probadas de combustibles fósiles son continuamente reportadas, pero no están en ponderación con la explotación y el consumo. En lo que todos los científicos coinciden es que las reservas de combustibles fósiles deben permitirnos crear nuevas fuentes energéticas, al tiempo que con el desarrollo de nuevas tecnologías se tiene que producir energía de manera mucho más eficiente.

Las grandes reservas de combustibles fósiles se encuentran en países de escaso y mediano desarrollo tecnológico. El hecho de poseer petróleo, gas o carbón no es condición suficiente para lograr un desarrollo económico equilibrado en un país específico, para eso se requiere de una buena tecnología y de una estrategia energética adecuada.

 

La energía es consumida fundamentalmente por cinco grandes sectores: la industria, el transporte, la agricul-tura, los servicios públicos y comercio, y el residencial.
La figura 1 muestra la distribución del consumo anual per cápita para los diferentes sectores de países desarrollados y no desarrollados³.

 

Figura 1. Consumo anual de energía per cápita por sectores en los países desarrollados y no desarrollados

Lo primero que resalta en los datos de la figura es la gran disparidad que existe entre el consumo anual de energía per cápita de los países desarrollados y los no desarrollados. El consumo de energía en los países industrializados es entre 3 y 14 veces el consumo de los países no desarrollados, dependiendo del sector. En promedio cada persona en los países desarrollados consume el equivalente de 40 barriles de petróleo (o 220 gigajoules) al año, mientras que en los países no desarrollados el consumo equivale a 6 barriles de petróleo, el 15%. Más aún, en los países de mayor pobreza, el 10% de la población mundial, es decir, más de 600 millones de habitantes, no alcanzan el barril anual. Tal extrema desigualdad tiene efectos muy nocivos en la salud del planeta.

Los datos también indican la gran dependencia de la producción de energía en los combustibles fósiles. Este panorama debe cambiar fuertemente en los próximos años, con la invención de nuevos materiales y tecnologías para desarrollar fuentes no convencionales de energía. El sector industrial es un alto consumidor de energía debido a la gran inercia que existe al cambio de tecnologías e infraestructuras que conllevarían a un incremento de las inversiones de capital, aunque el gran temor radica en la disminución de las ganancias para los propietarios. Otro aspecto que resalta en la figura 1 es la disparidad en el uso de energía per cápita en el transporte, que es el sector de mayor consumo en los países industrializados.

Los países más desarrollados poseen una gran infraestructura en carreteras que los hacen más competitivos y a la vez más consumidores de petróleo. La solución a futuro no está en disminuir la cantidad de automotores, sino en que ellos puedan consumir energías no provenientes de combustibles fósiles, en particular del petróleo, el cual debe reservarse fundamentalmente para desarrollar nuevas fuentes energéticas.

¿Existen suficientes recursos para acabar con la pobreza, alcanzar un desarrollo social y económico significativo para la mayor parte de la población mundial, proteger el medio ambiente y conservar al mismo tiempo las comodidades y ventajas que ha aportado la tecnología moderna? Para responder afirmativamente esta pregunta, se necesita en primer lugar un cambio radical de los paradigmas de consumo, en donde la educación ha de jugar un papel predominante. También es necesario llevar a cabo políticas promotoras de investigación y desarrollo que permitan el progreso de nuevas tecnologías más eficientes en el consumo de la energía. Otro aspecto muy importante es la inversión de capitales, en particular, en una primera etapa, de las nuevas fuentes renovables de energía que deben sustituir a los combustibles fósiles. ¿Es utópica la posibilidad de un sistema energético basado en fuentes renovables? Por supuesto que no, más aún, es imprescindible esa transición para la supervivencia de la humanidad. Ese tránsito ha comenzado, pero debe intensificarse su ritmo y para ello son necesarios financiamientos que provengan fundamentalmente de los países desarrollados, imponiendo, por ejemplo, impuestos a las transnacionales de la energía y a las corporaciones militares.

Las transiciones de las fuentes energéticas ya han ocurrido en otras etapas, la leña y el carbón vegetal que durante milenios se utilizaron como portadores energéticos fueron sustituidos por la hulla entre 1750 y 1830; después la hulla fue sustituida por el petróleo a finales del siglo XIX. La situación actual es más complicada porque la población mundial en el siglo XX se incrementó en ¡6 veces!, una tasa de crecimiento nunca antes alcanzada e hizo que los habitantes en el planeta sobrepasaran la cifra de 6000 millones. Por lo tanto ahora se necesita mucho más energía para satisfacer las necesidades de la población mundial.

 

Lo expuesto hasta aquí hace evidente que uno de los grandes temas de la ciencia lo constituye la energía y uno de sus objetivos centrales será encontrar fuentes alternativas. La solución del problema energético presupone además que las nuevas fuentes sean compatibles con el medio ambiente y permitan un desarrollo sostenible para la humanidad. Entre las propuestas de las nuevas fuentes de energías, el Sol ocupa un lugar de extraordinaria importancia, por lo que se refiere a la cantidad de energía que recibimos de él, así como a las posibilidades concretas de aplicaciones directas e indirectas de la tecnología solar: calentamiento de agua, destilación, secado de productos agrícolas, cocina, refrigeración y climatización, iluminación, conversión en energía eléctrica y biomasa. Todas estas tecnologías tienen una incidencia directa en cualquier país que reciba una adecuada radiación solar promedio anual, y muy en especial en los países en vías de desarrollo, generalmente situados en zonas geográficas de alta insolación.

Energía fotovoltaica

La radiación solar incidente sobre la Tierra es equivalente a más de 800 000 millones de GWh de energía en un año, lo que representa alrededor de 35000 veces el consumo mundial en ese tiempo, y es 500 veces mayor que el equivalente energético suministrado por todas las demás fuentes de energía. La energía solar que recibe cada año la península Arábica, zona geográfica donde radican las mayores reservas de petróleo, es el doble del equivalente energético de las reservas mundiales de petróleo. La superficie de la Tierra recibe en 30 minutos una cantidad de energía solar equivalente al consumo energético mundial en un año.

La energía fotovoltaica es el proceso de convertir directamente la energía proveniente del Sol en electricidad mediante el uso de las celdas solares. La energía fotovoltaica, comparada con el resto de las fuentes renovables de energía, tiene entre sus ventajas más importantes:

• Su conversión es la más instantánea de todas.
• Es modular y aditiva, es decir, puede generar desde valores de potencia menores del watt hasta decenas de MW.
• No tiene partes móviles y el costo de mantenimiento es el más bajo de todos.
• Es una tecnología madura y aceptada internacionalmente.
• Es una tecnología que permite generar empleos y un desarrollo industrial sustentable.
• Es altamente confiable al ser el Sol una fuente de energía limpia, inagotable y de acceso libre.
• Es la mejor opción en fuentes renovables de energía para introducir en un ambiente urbano.
• Es fácil de producir e instalar a escala masiva.
• Es el modo más accesible de proveer de energía a los miles de millones de personas sin electricidad en el mundo.

Entre los problemas actuales para el desarrollo de la energía fotovoltaica a escala tecnológica se pueden mencionar: a) por tratarse de una tecnología relativamente nueva no existe la suficiente cultura y conocimientos respecto a su capacidad y utilización; b) el costo inicial de la instalación es alto si se compara con sus similares; c) las instalaciones no son fáciles de obtener de manera comercial y a gran escala. Sin embargo, el problema fundamental radica en que, a diferencia de los combustibles fósiles, su uso en el transporte es actualmente complicado.

Un reflejo del incremento de la industria fotovoltaica se muestra en la figura 2. En el 2006, la pro-ducción mundial de potencia fotovoltaica alcanzó 2368 MW que comparada con la del 2000 representa un incremento del 823%. La producción de energía fotovoltaica a través de la fabricación de paneles solares aumentó exponencialmente durante los últimos quince años y se espera que continúe con esa tendencia hasta el 2010. Japón es el país líder y Alemania es el país que está a la vanguardia en la Unión Europea. Ambos han basado su crecimiento en un adecuado balance de los programas de investigación y desarrollo, asociados a una acertada política fiscal que incentiva el uso de energías provenientes de fuentes renovables.

 

Figura 2. Producción global fotovoltaica

Una desventaja importante que debe resolver la energía fotovoltaica es su costo. A finales de la década pasada se decía que la energía fotovoltaica se convertiría competitiva cuando el kW-h de energía eléctrica descendiera del umbral de US $ 0.10, pero en la actualidad con el aumento desmedido del precio del barril de petróleo es imposible anunciar un pronóstico. En la actualidad, el precio del kW-h fotovoltaico es de 6 a 10 veces superior al precio del kW-h producido por medios convencionales, sin embargo, con el incremento de los volúmenes de producción de la energía fotovoltaica se reducen de manera importante los costos. La construcción de plantas de 10-20 MW de energía fotovoltaica que se están fabricando y conectando a la red, también hace disminuir los costos. A este punto, es importante resaltar la descentralización que se logra en la entrega de la energía a través de las instalaciones fotovoltaicas. Un gran aporte de la tecnología reciente ha sido la telefonía que ha desechado los cables de cobre para la transmisión telefónica, alcanzando la distribución de las comunicaciones a nivel personal, ¿por qué entonces no soñar que la energía podrá transitar por el mismo camino?

Otra alternativa importante es la disminución de los costos de producción del silicio, material con el que se producen casi el 90% de las celdas solares con la que se fabrican los paneles. Obtener silicio grado solar barato y abundante es el principal objetivo para la disminución del precio del kW-h fotovoltaico.

El incremento en la energía de conversión de las celdas solares es otro camino para disminuir los costos. La figura 3 muestra el pronóstico del precio del watt fotovoltaico (no con el barril costando $100 dólares) que puede obtenerse como función de la eficiencia y del costo por área del material con que se producen las celdas solares⁴. Tres diferentes grupos de celdas solares destacan: el grupo I, constituido por las celdas solares en base a Si volumétrico mono y policristalino, con eficiencias cercanas al 20% y costos del material del orden de $350 dólares, permite alcanzar precios del watt fotovoltaico por debajo de los $3.50 dólares. Las celdas solares fabricadas en base a películas delgadas -designadas como grupo II- poseen un costo menor por área, al utilizar menos material, y aunque poseen una eficiencia menor que las del grupo I, el costo del watt fotovoltaico puede llegar a disminuir hasta 1 dólar. Las prometedoras celdas de alta eficiencia constituyen el grupo III, con las cuales se esperan costos de alrededor de 0.20 dólares por watt fotovoltaico. En la actualidad, varias son las instituciones encargadas en desarrollar celdas solares de alta eficiencia, destacándose el proyecto de la Universidad de Delaware para obtener eficiencias de conversión del 50%⁵.

 

Figura 3. Pronóstico del precio del watt fotovoltaico como función de la eficiencia y del costo del material, para tres grupos diferentes de celdas solares: I, Si mono y policristalino volumétrico; II: láminas delgadas y III de lata eficiencia.

Diversas son las variantes utilizadas para aumentar la eficiencia de conversión de una celda solar y sortear los mecanismos de pérdidas que aparecen en los dispositivos fotovoltaicos de homounión. La figura 4 muestra los dos mecanismos de pérdidas más importantes en este tipo de celdas solares: la imposibilidad de absorber los fotones con energías menores que la banda prohibida del semiconductor y la termalización de los portadores creados con energías superiores a la banda prohibida. Estos dos mecanismos son los responsables de que prácticamente el 50% de la radiación solar no se convierta en energía eléctrica a través de una celda solar. A continuación se presentará con algún detalle sólo dos de estas aproximaciones a dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia: las celdas tandem y las celdas cuánticas.

 

Figura 4. Los procesos de pérdidas en una celda solar de homounión: 1) fotones con energías menores que la banda prohibida del semiconductor; 2) pérdidas por ter-malización de la red; 3) y 4) pérdidas a través de la unión y los contactos; 5) pérdidas por recombinación.