«Las necesidades mundiales de energía eléctrica se podrán abastecer solo con energía solar», Ignacio Mártil, catedrático de Electrónica
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«Las necesidades mundiales de energía eléctrica se podrán abastecer solo con energía solar», Ignacio Mártil, catedrático de Electrónica

El 66,9% de la energía eléctrica generada en España durante 2020 procedió de fuentes de energía libres de emisiones de dióxido de carbono. Y dos tercios de esa energía la obtuvimos empleando fuentes de origen renovable. Estas cifras han sido recogidas por Red Eléctrica de España y no dejan lugar a dudas acerca del calado que ya tienen las renovables en el mix de generación energética español.

En este artículo os proponemos indagar en el presente y el futuro de las energías renovables de la mano de Ignacio Mártil de la Plaza, doctor en Física y catedrático de Electrónica en la Universidad Complutense de Madrid que dedica su actividad docente e investigadora a las tecnologías avanzadas en células solares.

Ignacio se especializó en semiconductores durante la elaboración de su tesis doctoral y durante muchos años ha investigado aquellos que están involucrados en el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos.

Ignacio Mártil de la Plaza ha publicado 170 artículos científicos en revistas internacionales, ha dirigido ocho tesis doctorales y ha participado en 25 proyectos de investigación

Su currículo recoge la publicación de 170 artículos científicos en revistas internacionales, y, además, ha dirigido ocho tesis doctorales, ha participado en 25 proyectos de investigación con financiación externa y ha pronunciado más de 100 ponencias en congresos especializados.

No obstante, lo que nos ha animado a hablar con él es que a finales de 2020 publicó un libro de divulgación científica en el que analiza con todo lujo de detalles el rol crucial que ya tiene la energía solar como una de nuestras mejores bazas para mitigar el cambio climático.

'Energía solar: de la utopía a la esperanza' es un libro profundamente didáctico que pone los conceptos más avanzados en células solares al alcance de todos. Ignacio tiene mucho que contar, y la entrevista que estáis a punto de leer lo refleja de forma fehaciente.

La energía solar es una aliada valiosa para resolver la emergencia climática

Encontrar una solución duradera a la emergencia climática en la que estamos sumidos representa un gran desafío. ¿Crees que algún día la humanidad conseguirá abastecerse únicamente de fuentes de energía renovables?

Si ciño mi respuesta a la posibilidad de que las fuentes de energía renovables nos permitan abastecernos de energía eléctrica, yo te diría que sí. No me parece un objetivo irreal. Además, me parece realizable a no muchos años vista.

«Creo que cuando finalice esta década el 100% de la electricidad la podremos generar con fuentes renovables»

Un dato revelador es que el año pasado el 43,6% de la electricidad generada en España procedió de fuentes de energía renovables. Y no somos los campeones del mundo en este ámbito; estamos bien posicionados, pero no somos el país más avanzado en energías renovables.

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Con los planes de instalación de nuevas plantas fotovoltaicas y eólicas de aquí a diez años no tengo grandes dudas de que eso va a ser un hecho. Creo que cuando finalice esta década el 100% de la electricidad la podremos generar con fuentes renovables.

El problema es que la electricidad representa entre el 15 y el 20% del consumo de energía primaria del planeta. El reto consiste en encontrar la forma de que las fuentes renovables consigan satisfacer toda nuestra demanda energética, y una de las claves es la automoción.

¿Vamos a ser capaces de resolver el 100% de nuestras necesidades de movilidad utilizando vehículos eléctricos o de hidrógeno? Tengo mis dudas porque me he puesto a hacer números, y, sinceramente, no me salen.

Si calculamos el número aproximado de vehículos que tiene el parque europeo y cuánto costaría renovarlo nos daremos cuenta de que habría que invertir billones de euros. Pero billones europeos, no americanos. Probablemente esta renovación es factible, pero no en diez años.

No cabe duda de que renovar el parque automovilístico completo requiere una enorme inversión, pero la normativa se está endureciendo con los vehículos con motor térmico y los fabricantes poco a poco van ampliando su oferta de vehículos eléctricos. Es un primer paso importante hacia ese objetivo…

Sí, por supuesto. Es importante, pero hay otro problema añadido. Supongamos que somos capaces de renovar el parque de automóviles y convertirlos por arte de magia en vehículos eléctricos, pero ahora queda la segunda parte del desafío: ¿tenemos la infraestructura necesaria para la recarga de las baterías que permiten que se desplacen esos vehículos?

¿Somos capaces de construir una red de electrolineras tan tupida como la red de gasolineras que ya tenemos? Tengo mis dudas, y no creo que sea un objetivo alcanzable a medio plazo.

Se están dando pasos importantes en esa dirección, sin duda, pero veo que los pasos que se dan son demasiado tímidos. Creo que sería crucial, además de incentivar la compra de vehículos eléctricos, propiciar la instalación de puntos de recarga, y, sobre todo, promover la transformación del sector del automóvil.

Habría que incentivar que en España hubiese fábricas de baterías de automóviles y que las plantas se renueven para afrontar la producción de vehículos eléctricos. En Europa hay algunos fabricantes de coches eléctricos, pero los mayores productores están fuera de nuestro continente. No podemos perder ese tren.

¿En ese caso eres partidario de poner una fecha de caducidad taxativa a la venta de vehículos con motor térmico?

Si te hablo como ciudadano que se dedica a las energías renovables te diría que sí, claro, pero si miro un poco más allá y veo cuál es la situación del país, y, sobre todo, cuáles son las fuentes industriales de las que se alimenta España, me lo pensaría mucho.

El principal sector industrial de este país es el automóvil, y si ponemos fecha de caducidad a unas plantas que generan el 10% del empleo y el 12 o el 14% del PIB estaremos haciendo un flaco favor a nuestra capacidad industrial. Yo sería muy cuidadoso con esto.

Más del 40% de la energía que consumimos es de origen renovable

Según Foro Nuclear en España la energía nuclear lideró la producción de energía eléctrica en 2019, aportando el 21,43% del total. ¿Qué opinión te merece esta tecnología de producción de energía eléctrica?

Como única tecnología sí, pero si sumas las tecnologías de origen renovable su contribución conjunta es del 40%. Si a esta cifra sumamos el 21% de la energía nuclear concluimos que en 2019 tuvimos más de un 60% de fuentes que no emiten gases de efecto invernadero. Yo no soy un antinuclear, pero tampoco soy un gran defensor de esta tecnología.

Creo que la energía nuclear tiene dos grandes ventajas. Una es que funciona las 24 horas del día porque debido a su principio de funcionamiento una central nuclear no puede pararse y encenderse como una de ciclo combinado. Es una ventaja enorme que provoca que haya una producción base constante.

«La energía nuclear tiene dos grandes ventajas: funciona las 24 horas del día y no quema ningún combustible»

La segunda ventaja es que como el procedimiento mediante el cual se genera la electricidad es una reacción de fisión nuclear y no se quema ningún combustible, no hay emisión de dióxido de carbono. Estas dos ventajas son impepinables, pero también tiene otros dos inconvenientes muy claros.

El primero es la enorme inversión que hay que hacer para poner en funcionamiento una planta nuclear. Y el segundo es algo que aún no hemos resuelto: los residuos. ¿Con qué me quedo? Si pienso en las emisiones me quedo con la nuclear, pero si pienso en los residuos no me quedo con la energía nuclear. No soy un furibundo antinuclear, pero tengo dudas.

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De acuerdo con los datos recogidos por Red Eléctrica de España durante 2020 las renovables alcanzaron el 43,6% de la generación de energía eléctrica.

Si nos ceñimos a las energías renovables ¿qué posición ocupa la energía solar en términos de eficiencia?

La energía solar fotovoltaica en estos momentos está produciendo paneles con eficiencias próximas al límite teórico alcanzable. La teoría dice que las células solares de silicio no pueden superar el 29% de eficiencia. Ahora mismo en el mercado hay módulos que tienen un 24%, por lo que estamos muy cerca del máximo teórico.

Si nos vamos a otros conceptos, como los que se utilizan en los satélites artificiales, por ejemplo, ahí ya estamos por encima del 30% de eficiencia. Para saber si esto es mucho o poco podemos compararlo con la eficiencia energética de las fuentes convencionales.

«La energía solar fotovoltaica se mueve en el rango de eficiencias de las fuentes convencionales con el añadido de que no requiere quemar combustibles»

Una térmica convencional tiene una eficiencia de conversión de un 30%. Una nuclear de un 33 o un 34%. La energía solar fotovoltaica está un poco por debajo, pero se mueve en el rango de eficiencias de las fuentes convencionales con el añadido de que no requiere quemar combustibles, no nos obliga a comprar gas ni petróleo, no precisa la extracción de uranio, etc.

Además, en el caso particular de España se da otro requisito favorable: en algunas renovables, como la eólica, tenemos más de 200 industrias propias, con patentes propias, capacidad de decisión propia y tecnologías propias.

Con la tecnología fotovoltaica sucede prácticamente lo mismo. Salvo las células solares, que ya casi solo se fabrican en China y en alguna industria de Estados Unidos, el resto de la cadena de valor la hacemos aquí. Creo que esta es una ventaja competitiva muy importante.

Si no recuerdo mal la cifra, según APPA (Asociación de Empresas de Energías Renovables) estamos rondando los 50.000 trabajadores si sumamos el empleo directo e indirecto. No está pero que nada mal.

Las perovskitas nos prometen revolucionar las tecnologías fotovoltaicas

¿Cuál es el principal reto al que os enfrentáis las personas que investigáis en materia de tecnologías fotovoltaicas? ¿Hay mucho trabajo por hacer para incrementar aún más la eficiencia de las células solares?

El material hegemónico con el que trabajamos es el silicio. El 95% de los paneles que se comercializan hoy en día son de silicio. En este ámbito estamos trabajando activamente en conceptos diferentes a los actuales para incrementar la eficiencia, pero lo que estamos haciendo en realidad es rascar entre un 2 y un 4%. Ya no hay más que rascar.

El santo grial de todo este asunto reside actualmente en las perovskitas. Con ellas sucede una cosa asombrosa: cuando se publicó la primera célula solar fabricada con una perovskita en 2009 se reportó una eficiencia del 3,8%. Es una cifra muy baja. Además, se degradaba en horas.

«Las perovskitas son baratas, fáciles de fabricar, y cuando se juntan en tándem con el silicio rondan el 30% de eficiencia»

Sin embargo, ahora mismo están en el 25,5% y ya no se degradan en horas. Ya tienen una estabilidad mucho mayor. Las perovskitas han recorrido en diez años lo que el silicio tardó cincuenta años en recorrer. Es algo asombroso a lo que se unen varios factores muy favorables.

El primero es que son muy baratas y muy fáciles de fabricar. Una instalación que quiera fabricar células de perovskita no tiene que hacer las inversiones de una equivalente de silicio.

Además, cuando se juntan con el silicio para formar estructuras tándem o multiunión, estamos rondando el 30% de eficiencia. Ayer precisamente Oxford Photovoltaics, que es una de las empresas que dice que durante 2021 comercializará paneles de silicio con perovskita, reportó una eficiencia del 29,52% en una célula de tamaño comercial (15 x 15 cm). Estamos sin ninguna duda ante una auténtica revolución en este campo.

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¿Podrías explicarnos qué son las perovskitas de la forma más didáctica posible?

Perovskita es una denominación genérica. Describe una familia de materiales cuya estructura cristalina es parecida a la de un material llamado titanato de calcio. El nombre ‘perovskita’ procede de un científico ruso, que fue la persona que las descubrió en los Montes Urales a finales del siglo XIX, llamado Lev Alekseyevich von Perovski, que, curiosamente, fue ministro en uno de los gobiernos del zar.

Su enorme interés en las tecnologías fotovoltaicas procede de unas propiedades que las hacen óptimas desde el punto de vista teórico para convertir la energía solar en energía eléctrica. Hay una propiedad que tiene que tener un semiconductor para que sea óptimo, al menos en teoría, que se conoce como el gap de energía.

Es un concepto que viene de la Física Cuántica e identifica la mínima energía que puede absorber un material. Para que la célula solar que queremos fabricar con ese material sea óptima tiene que estar en el entorno de 1,5 electronvoltios (eV), y hay una familia de materiales perovskita que tiene esa propiedad.

Además, esos materiales absorben muy bien la radiación solar, por lo que hace falta muy poco material para que absorba la radiación del Sol. Estas dos condiciones hacen a las perovskitas candidatos óptimos. Pero también concurren otras circunstancias.

Los elementos químicos con los que las podemos fabricar son muy abundantes en la corteza terrestre (carbón, nitrógeno, hidrógeno, plomo…), y, además, producirlas es fácil y barato. Confluyen muchos factores favorables, pero también hay peros.

¿Cuáles son esas desventajas?

Una muy importante es que las perovskitas que mejor funcionan son las que tienen plomo, y es un elemento muy contaminante. De hecho, hay países de Europa que directamente lo tienen prohibido, como Suiza.

Se está trabajando mucho para intentar sustituir el plomo por otro elemento parecido, que es el estaño, pero al hacerlo las células solares no son tan buenas porque tienen una eficiencia mucho más baja. Este es uno de los peros.

La otra desventaja es que se degradan muy rápidamente en contacto con el ambiente. Son muy sensibles a la humedad, al calor y a cualquier agente ambiental.

Para que sean estables necesitan estar perfectamente herméticas y encapsuladas, algo que no es especialmente complejo debido a que las células de silicio también están encapsuladas, pero no es tan sencillo hacerlo como con el silicio. Estas son las limitaciones que hay en este momento.

¿Conseguirán las perovskitas en el futuro ocupar el lugar central que ostenta actualmente el silicio mono y multicristalino en el proceso de fabricación de células solares?

Sí si conseguimos resolver las dos contraindicaciones que acabamos de ver. Esta es la madre del cordero en la investigación en perovskitas en este momento porque si nos ceñimos a su eficiencia en unión aislada estamos ahora mismo en un 25,5%, y en tándem con silicio en un 29,5%.

Ya estamos en valores perfectamente competitivos. Y además es sorprendente lo rápida que ha sido la evolución de las células solares basadas en perovskitas si la comparamos con la de las células de silicio.

Al margen de las perovskitas ¿hay alguna otra innovación en materia de tecnología fotovoltaica que te parezca especialmente prometedora?

Si hablamos del silicio hay dos propuestas claras para tratar de minimizar algunos de los hándicaps que tiene este elemento químico. Uno de ellos es la cantidad de material que necesitas para fabricar una célula solar. El silicio no absorbe bien la radiación del Sol, de manera que para que una célula absorba toda la energía que tú quieres necesitas un grosor muy grande, típicamente entre 180 y 200 micras.

Se está trabajando para reducir ese espesor a 150 micras. Puede parecer poco, pero es una barbaridad porque si bajas de 200 a 150 estás reduciendo un 25% la cantidad de material que necesitas para fabricar una célula.

«Si con las células de contactos selectivos conseguimos incrementar un 2 o un 3% la eficiencia, sería una maravilla»

También se está trabajando en nuevos conceptos para tratar de reducir otro problema que tiene la tecnología del silicio: la cantidad de energía que tienes que invertir en la obtención del silicio y en la fabricación de la célula solar. Este concepto se conoce como la carga térmica de la fabricación, y en otros campos se llama tiempo de amortización energética.

Este tiempo en el caso del silicio está por encima del año debido a que necesitas invertir mucha energía para obtener el silicio con las condiciones de pureza y de calidad adecuadas para fabricar la célula.

Asimismo se está trabajando en otra línea denominada «de contactos selectivos» que pretende reducir esa carga térmica. Si todo esto se logra y con las células de contactos selectivos conseguimos incrementar un 2 o un 3% la eficiencia, sería una maravilla.

Esto en lo que tiene que ver con el silicio, pero si nos fijamos en las células solares que alimentan los exploradores robóticos y la Estación Espacial Internacional veremos que se fabrican con unos materiales pertenecientes a otra familia llamados compuestos III-V, como el arseniuro de aluminio-galio. Estos materiales nos permiten obtener eficiencias mayores que con el silicio, pero con un coste más alto.

Cuando se utilizan en la superficie terrestre en unas condiciones particulares, que son con el seguimiento del Sol y con concentración de la radiación, nos permiten obtener cantidades de potencia eléctrica enormes, mayores que con el silicio, aunque todavía a costes muy superiores.

Si consiguiésemos rebajar su precio para hacerlo equiparable al del silicio estaríamos en un camino prometedor, que es precisamente lo que pretende hacer Oxford Photovoltaics cuando une perovskita con silicio.

Su idea consiste en juntar en un mismo dispositivo ambos materiales y es la misma de las células de los exploradores robóticos: que cada célula se encargue de absorber una parte del espectro solar, de manera que el conjunto lo absorba todo y de una manera más eficiente que cada una por separado.

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Las perovskitas han recorrido en diez años el camino que el silicio tardó cincuenta años en recorrer.

España tiene un gran potencial, pero la Unión Europea se está quedando rezagada

Lo que nos explicas refleja que el desarrollo de nuevos materiales semiconductores ocupa un rol central en el progreso de las tecnologías fotovoltaicas. ¿De qué herramientas disponéis los investigadores españoles para avanzar en este camino?

Aquí en España hay grupos que históricamente nos dedicamos a esto desde hace muchos años. No somos muchos, pero estamos bien consolidados y tenemos un know-how humano y tecnológico importante.

En el campo de las tecnologías fotovoltaicas hay dos grandes líneas de investigación: la que tiene que ver con el silicio y todo lo que se puede hacer para mejorar su rendimiento, y la que se dedica a otros materiales.

«La teoría dice que no hay muchos materiales que sean capaces de convertir eficientemente la energía solar en energía eléctrica»

La teoría dice que no hay muchos materiales que sean capaces de convertir eficientemente la energía solar en energía eléctrica; de hecho, el abanico de posibilidades está restringido a media docena de semiconductores.

En España hay grupos que han alcanzado logros muy notables, como, por ejemplo, el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid. Si sales de España hay grupos muy potentes en algunos centros de Alemania, Estados Unidos, Japón y Australia.

¿Existe algún tipo de colaboración entre investigadores españoles, y también entre estos y los grupos extranjeros?

Sí, por supuesto. Mi grupo de investigación forma parte de una red de laboratorios financiada por un proyecto de la Comunidad de Madrid en el que hay varios grupos trabajando en esta área, pero también hemos tenido proyectos de colaboración con otros grupos de fuera de Madrid.

Actualmente estamos trabajando con un grupo de Cataluña y mantenemos un contacto estrecho con un grupo de Valladolid. Y, por supuesto, también tenemos colaboraciones internacionales.

¿Somos un país puntero en investigación en tecnologías fotovoltaicas? ¿Invertimos lo suficiente?

Nunca se invierte lo suficiente, pero si contemplamos la situación de la ciencia en España yo creo que la investigación en fotovoltaicos está ligeramente por encima de la media de lo que ocurre en otros sectores dentro de la investigación. Y creo que esto en gran medida se debe a la tradición.

En otros campos también hay grupos que son punteros, pero son muy nuevos. De hecho, de la Universidad Politécnica de Madrid surgió una de las primeras industrias fotovoltaicas del mundo: Isofotón.

A principios de este siglo esta empresa fue uno de los grandes fabricantes de fotovoltaicos, y surgió como un spin-off de una universidad madrileña, aunque, desafortunadamente ya no existe, como tantas otras industrias europeas.

Es una pena que la Unión Europea después de hacer la inversión necesaria para poner esta y otras industrias tecnológicas en marcha no haya sido capaz de mantenerse en la vanguardia…

El problema es que es muy difícil competir con los precios de los fabricantes asiáticos. Es imposible. China tiene un mercado interior de 1400 millones de consumidores, y puede fabricar sin preocuparse de lo que exporte o deje de exportar. Es imposible competir con algo así.

Un cliente chino demanda paneles fotovoltaicos a un fabricante chino que los produce en China, a los costes laborales de China, y los vende en China. Ya no hay más que hablar. Toda la cadena de valor reside dentro de las fronteras de un único país.

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La energía solar puede cubrir todas nuestras necesidades energéticas

Los detractores de los paneles fotovoltaicos suelen argumentar que la inversión energética que es necesario realizar en su fabricación se tarda mucho tiempo en recuperar, y que por esta razón pierden en gran medida su razón de ser. ¿Qué opinas acerca de esta afirmación?

Es un mantra que persigue a la fotovoltaica desde su origen. Las primeras células solares de silicio, que son de finales de los años 50 y principios de los 60, tenían solo un 6 o un 7% de eficiencia, por lo que era necesario invertir más energía en su fabricación de la que podían dar durante su vida útil. Pero esto ha ido reduciéndose año tras año, de manera que hoy ese tiempo de retorno energético en España, en promedio, está en el entorno del año.

«Las primeras células solares de silicio, que son de finales de los años 50 y principios de los 60, tenían solo un 6 o un 7% de eficiencia»

En Italia está en promedio también en el entorno del año. En India está en el entorno del medio año… Depende de los niveles de irradiación que tenga tu célula solar. Si piensas que una célula solar va a funcionar de forma óptima durante 20 años, y seguramente durante 25 o incluso 30 años, es fácil concluir que durante el 90% de su vida útil nos están entregando más energía de la que hemos invertido en su fabricación. Ese mantra se superó completamente hace muchos años.

En tu libro defiendes que estás convencido de que algún día la humanidad al completo podrá abastecerse no ya con energías renovables, sino únicamente con energía solar. Si lo crees es porque tienes argumentos técnicos que avalan esta afirmación…

Si uno ve cuál es la implantación de la energía fotovoltaica y la cuota que ocupa en la producción de energía hoy me dirá «este tío está zumbao». A día de hoy representa apenas el dos y pico por ciento de la producción de electricidad total del planeta. Y esto no es nada.

Pero si me baso en el ritmo al que crece la fotovoltaica año tras año desde el principio de este siglo, en la progresiva y continua mejora de esta tecnología no ya año tras año, sino mes tras mes, y recuerdo la cantidad de tejados que tenemos en los edificios de nuestras ciudades y pueblos, y la cantidad de espacio que no utilizamos absolutamente para nada, creo que no estoy muy desencaminado. Eso sí, requiere tiempo e inversión.

¿Cuál es en tu opinión el futuro inmediato de la energía solar fotovoltaica?

Su futuro inmediato está en este momento muy condicionado por la situación del planeta en lo que tiene que ver con la pandemia, pero si nos ceñimos a las expectativas y las previsiones que hace el consorcio de grandes fabricantes del mundo, que se llama ITRPV (International Technology Roadmap for Photovoltaic), de aquí a cinco años estaremos instalando en el planeta entre 200 y 300 gigavatios al año.

«De aquí a cinco años estaremos instalando en el planeta entre 200 y 300 gigavatios al año»

Si piensas que a día de hoy tenemos en todo el planeta instalados 630 gigavatios quiere decir que el ritmo al cual vamos a seguir instalando va a seguir creciendo de manera exponencial.

Los datos que tengo de 2020, que son todavía provisionales, me dicen que a pesar de la COVID el ritmo de crecimiento sigue siendo descomunal. Me remito simplemente a España. Nosotros el año pasado instalamos cuatro gigavatios fotovoltaicos. Solo en España. Y en China a finales del verano pasado ya habían instalado en torno a 50 gigavatios. Si seguimos sumando esos 300 gigavatios al año pronosticados están ya muy cerca.

Energía solar: de la utopía a la esperanza (Análisis y crítica) (Español) Tapa blanda – Ignacio Mártil de la Plaza

Energía solar: de la utopía a la esperanza (Análisis y crítica) (Español) Tapa blanda – Ignacio Mártil de la Plaza

Imágenes | Pixabay | Gustavo Fring | Red Zeppelin

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