energía solar

El efecto fotovoltaico en las células solares convierte la luz en corriente eléctrica. La primera célula solar fue construida por Charles Fritts en la década de 1880. ^{[ 20 ]} El industrial alemán Ernst Werner von Siemens fue uno de los que reconoció la importancia de este descubrimiento. ^{[ 21 ]} En 1931, el ingeniero alemán Bruno Lange desarrolló una fotocélula utilizando seleniuro de plata en lugar de óxido de cobre , ^{[ 22 ]} aunque las células prototipo de selenio convertían menos del 1% de la luz incidente en electricidad. Siguiendo el trabajo de Russell Ohl en la década de 1940, los investigadores Gerald Pearson, Calvin Fuller y Daryl Chapin crearon la célula solar de silicio en 1954. ^{[ 23 ]} Estas primeras células solares costaban US$286/vatio y alcanzaban eficiencias del 4,5–6%. ^{[ 24 ]} En 1957, Mohamed M. Atalla desarrolló el proceso de pasivación de la superficie del silicio por oxidación térmica en Bell Labs . ^{[ 25 ] [ 26 ]} El proceso de pasivación de la superficie ha sido desde entonces fundamental para la eficiencia de las células solares . ^{[ 27 ]}

A partir de 2022más del 90% del mercado es silicio cristalino . ^{[ 28 ]} Otros tipos de células solares incluyen células solares de película delgada , hechas mediante la deposición de una o más capas delgadas, o película delgada (TF) de material fotovoltaico sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal.

El conjunto de un sistema fotovoltaico , o sistema FV, produce energía de corriente continua (CC) que fluctúa con la intensidad de la luz solar. Para su uso práctico, esto generalmente requiere la conversión a corriente alterna (CA) mediante el uso de inversores . ^{[ 19 ]} Varias células solares se conectan dentro de los paneles. Los paneles se cablean entre sí para formar conjuntos, que luego se conectan a un inversor, el cual produce energía al voltaje deseado y, en el caso de la CA, a la frecuencia/fase deseada. ^{[ 19 ]}

Muchos sistemas fotovoltaicos residenciales se conectan a la red eléctrica cuando está disponible, especialmente en países desarrollados con grandes mercados. ^{[ 29 ]} En estos sistemas fotovoltaicos conectados a la red, el almacenamiento de energía es opcional. En ciertas aplicaciones, como satélites, faros o en países en desarrollo, a menudo se añaden baterías o generadores eléctricos adicionales como respaldo. Estos sistemas de energía autónomos permiten el funcionamiento durante la noche y en otros momentos de escasa luz solar.

La energía solar concentrada (CSP), también llamada "energía solar térmica concentrada", utiliza lentes o espejos y sistemas de seguimiento para concentrar la luz solar y luego utiliza el calor resultante para generar electricidad a partir de turbinas convencionales impulsadas por vapor. ^{[ 30 ]}

A partir de 2021El costo nivelado de la electricidad de CSP es más del doble que el de PV. ^{[ 31 ]} A partir de 2022, menos del 1% de la energía solar proviene de CSP.

Un sistema híbrido combina energía solar con almacenamiento de energía u otras formas de generación. La energía hidroeléctrica, ^{[ 32 ] [ 33 ]} la eólica ^{[ 34 ] [ 35 ]} y las baterías ^{[ 36 ]} se combinan comúnmente con la energía solar. La generación combinada puede permitir que el sistema varíe la potencia de salida según la demanda, o al menos que suavice la fluctuación de la energía solar. ^{[ 37 ] [ 38 ]} Hay mucha energía hidroeléctrica en todo el mundo, y agregar paneles solares sobre o alrededor de los embalses hidroeléctricos existentes es particularmente útil, porque la energía hidroeléctrica suele ser más flexible que la eólica y más barata a gran escala que las baterías, ^{[ 39 ]} y a veces se pueden usar las líneas eléctricas existentes. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

El desarrollo inicial de las tecnologías solares, que comenzó en la década de 1860, fue impulsado por la expectativa de que el carbón pronto escasearía, como lo demuestran los experimentos de Augustin Mouchot . ^{[ 42 ]} Charles Fritts instaló el primer conjunto solar fotovoltaico en un tejado del mundo, utilizando células de selenio con una eficiencia del 1% , en un tejado de la ciudad de Nueva York en 1884. ^{[ 43 ]} Sin embargo, el desarrollo de las tecnologías solares se estancó a principios del  siglo XX ante la creciente disponibilidad, economía y utilidad del carbón y el petróleo . ^{[ 44 ]} La investigación de los Laboratorios Bell Telephone en la década de 1950 utilizó obleas de silicio con una fina capa de boro. La "Batería Solar Bell" se describió como de una eficiencia del 6%, con un metro cuadrado de paneles que generaba 50 vatios. ^{[ 45 ]} El primer satélite con paneles solares se lanzó en 1957. ^{[ 46 ]}

En la década de 1970, los paneles solares seguían siendo demasiado caros para casi cualquier uso que no fuera el de los satélites . ^{[ 47 ]} En 1974, se estimó que solo seis viviendas particulares en toda Norteamérica se calentaban o enfriaban completamente mediante sistemas de energía solar funcionales. ^{[ 48 ]} Sin embargo, el embargo petrolero de 1973 y la crisis energética de 1979 provocaron una reorganización de las políticas energéticas en todo el mundo y reavivaron el interés por el desarrollo de tecnologías solares. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Las estrategias de despliegue se centraron en programas de incentivos como el Programa Federal de Utilización Fotovoltaica en EE. UU. y el Programa Sunshine en Japón. Otros esfuerzos incluyeron la creación de centros de investigación en EE. UU. (SERI, ahora NREL ), Japón ( NEDO ) y Alemania ( Fraunhofer ISE ). ^{[ 51 ]} Entre 1970 y 1983, las instalaciones de sistemas fotovoltaicos crecieron rápidamente. En EE. UU., el presidente Jimmy Carter estableció el objetivo de producir el 20 % de la energía de EE. UU. a partir de energía solar para el año 2000, pero su sucesor, Ronald Reagan , eliminó la financiación para la investigación en energías renovables. ^{[ 47 ]} La caída de los precios del petróleo a principios de la década de 1980 moderó el crecimiento de la energía fotovoltaica entre 1984 y 1996.

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  Generación solar anual por continente
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  Gracias a políticas favorables y a la disminución de los costos de los módulos, la instalación de energía solar fotovoltaica ha crecido de manera constante. ^{[ 52 ] [ 53 ]} En 2023, China añadió el 60% de la nueva capacidad mundial. ^{[ 54 ]}
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  El crecimiento de la energía solar fotovoltaica en escala semilogarítmica desde 1996.
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  Producción de electricidad a partir de fuentes

A mediados de la década de 1990, el desarrollo de la energía solar en tejados residenciales y comerciales , así como de las centrales fotovoltaicas a gran escala , comenzó a acelerarse de nuevo debido a los problemas de suministro de petróleo y gas natural, las preocupaciones sobre el calentamiento global y la mejora de la rentabilidad de la energía fotovoltaica en relación con otras tecnologías energéticas. ^{[ 47 ] [ 55 ]} A principios de la década de 2000, la adopción de las tarifas de alimentación —un mecanismo político que da prioridad a las energías renovables en la red y define un precio fijo para la electricidad generada— condujo a un alto nivel de seguridad de la inversión y a un número creciente de instalaciones fotovoltaicas en Europa.

Durante varios años, el crecimiento mundial de la energía solar fotovoltaica fue impulsado por el despliegue europeo , pero luego se trasladó a Asia, especialmente a China y Japón , y a un número creciente de países y regiones de todo el mundo. Los fabricantes chinos de equipos solares se convirtieron en los más grandes. ^{[ 56 ] [ 57 ]} Aunque la capacidad de energía solar concentrada creció más de diez veces, siguió siendo una pequeña proporción del total, ^{[ 58 ] : 51} porque el costo de la energía solar fotovoltaica a escala de servicios públicos cayó un 85 % entre 2010 y 2020, mientras que los costos de la energía solar concentrada solo cayeron un 68 % en el mismo período. ^{[ 59 ]}

La energía solar y eólica se está expandiendo más rápidamente que las fuentes de electricidad anteriores. La disminución de los costos, el diseño modular y la mejora del almacenamiento en baterías facilitan la transición a las energías renovables. ^{[ 60 ]}

En 2025, el crecimiento de la energía solar, eólica y otras fuentes de energía eléctrica bajas en carbono superó el crecimiento general de la demanda de electricidad, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles y ayudando a frenar las emisiones de gases de efecto invernadero . ^{[ 61 ]}

A pesar del aumento del costo de materiales como el polisilicio durante la crisis energética mundial de 2021-2022 , ^{[ 62 ]} la energía solar a gran escala seguía siendo la fuente de energía menos costosa en muchos países debido al aumento de los costos de otras fuentes de energía, como el gas natural. ^{[ 63 ]} En 2022, la capacidad de generación solar mundial superó 1 TW por primera vez. ^{[ 64 ]} Sin embargo, los subsidios a los combustibles fósiles han ralentizado el crecimiento de la capacidad de generación solar. ^{[ 65 ]} África es el mercado de energía solar de más rápido crecimiento del mundo, impulsado principalmente por China. ^{[ 66 ]}

Estado actual

Aproximadamente la mitad de la capacidad instalada es a escala de servicios públicos. ^{[ 67 ]}

Pronósticos

Se prevé que la energía solar se convierta en la mayor fuente de energía renovable antes de finales de la década de 2020, superando la producción de energía hidroeléctrica. ^{[ 68 ]} Se prevé que la generación a gran escala se convierta en la mayor fuente de electricidad en todas las regiones, excepto en el África subsahariana, para 2050. ^{[ 67 ]}

Las centrales de energía solar de concentración (CSP) comerciales, también llamadas "centrales termosolares", se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. La central solar Ivanpah  de 377 MW , ubicada en el desierto de Mojave, California, es el proyecto de central termosolar más grande del mundo. Otras grandes centrales CSP incluyen la central solar Solnova (150 MW), la central solar Andasol (150 MW) y la central solar Extresol (150 MW), todas en España. La principal ventaja de la CSP es la capacidad de agregar eficientemente almacenamiento térmico, lo que permite el suministro de electricidad durante un período de hasta 24 horas. Dado que la demanda máxima de electricidad generalmente ocurre alrededor de las 5 p. m., muchas centrales CSP utilizan de 3 a 5 horas de almacenamiento térmico. ^{[ 72 ]}     

En muchos países, la energía solar es la fuente de electricidad de menor costo. ^{[ 73 ]} Los factores de costo típicos para la energía solar incluyen los costos de los módulos, el marco para sostenerlos, el cableado, los inversores, el costo de la mano de obra, cualquier terreno que pueda ser necesario, la conexión a la red, el mantenimiento y la insolación solar que recibirá esa ubicación.

Los sistemas fotovoltaicos no utilizan combustible y los módulos suelen durar entre 25 y 40 años. ^{[ 74 ]} Por lo tanto, los costos iniciales de capital y financiación representan entre el 80 % y el 90 % del costo de la energía solar, ^{[ 75 ] : 165} lo cual es un problema para los países donde los contratos pueden no cumplirse, como algunos países africanos. ^{[ 4 ]} Algunos países están considerando topes de precios , ^{[ 76 ]} mientras que otros prefieren contratos por diferencia . ^{[ 77 ]}

Los costos de los módulos solares de banda de alta potencia han disminuido considerablemente con el tiempo. A partir de 1982, el costo por kW era de aproximadamente 27.000 dólares estadounidenses, y en 2006 el costo bajó a aproximadamente 4.000 dólares estadounidenses por kW. El sistema fotovoltaico en 1992 costaba aproximadamente 16.000 dólares estadounidenses por kW y bajó a aproximadamente 6.000 dólares estadounidenses por kW en 2008. ^{[ 78 ]} En 2025 en EE. UU., el costo de la energía solar residencial ronda los 2,50 dólares/vatio ^{[ 79 ]} (pero las tejas solares cuestan mucho más). ^{[ 80 ]} A partir de 2025Los costos de la energía solar a granel rondan los 25 centavos de dólar estadounidense por vatio. ^{[ 81 ]}

La productividad de la energía solar en una región depende de la irradiancia solar , que varía a lo largo del día y del año y está influenciada por la latitud y el clima . La potencia de salida de un sistema fotovoltaico también depende de la temperatura ambiente, la velocidad del viento, el espectro solar, las condiciones de suciedad locales y otros factores.

La energía eólica terrestre tiende a ser la fuente de electricidad más barata en el norte de Eurasia, Canadá, algunas partes de Estados Unidos y la Patagonia argentina, mientras que en otras partes del mundo se considera que la energía solar (o, con menos frecuencia, una combinación de energía eólica, solar y otras energías bajas en carbono) es la mejor opción. ^{[ 82 ] : 8} Un modelo de la Universidad de Exeter sugiere que para 2030, la energía solar será la menos costosa en todas partes, excepto en algunos países nórdicos . ^{[ 83 ]}

Las zonas con mayor irradiancia solar anual se encuentran en los trópicos y subtrópicos áridos. Los desiertos situados en latitudes bajas suelen tener pocas nubes y pueden recibir luz solar durante más de diez horas al día. ^{[ 84 ] [ 85 ]} Estos desiertos cálidos forman el Cinturón Solar Global que rodea el mundo. Este cinturón consta de extensas franjas de tierra en el norte de África , el sur de África , el suroeste de Asia , Oriente Medio y Australia , así como los desiertos mucho más pequeños de América del Norte y del Sur . ^{[ 86 ]}

Por lo tanto, la energía solar es (o se prevé que se convierta en) la fuente de energía más barata en toda Centroamérica, África, Oriente Medio, India, el sudeste asiático, Australia y varias otras regiones. ^{[ 82 ] : 8}

A continuación se muestran diferentes mediciones de la irradiancia solar (irradiancia normal directa, irradiancia horizontal global):

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  América del norte
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  Sudamerica
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  Europa
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  África y Oriente Medio
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  Asia meridional y sudoriental
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  Australia
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  Mundo

En los casos de autoconsumo de energía solar, el tiempo de recuperación se calcula en función de la cantidad de electricidad que no se compra de la red. ^{[ 87 ]} Sin embargo, en muchos casos, los patrones de generación y consumo no coinciden, y parte o la totalidad de la energía se reinyecta en la red. La electricidad se vende, y en otros momentos en que se toma energía de la red, se compra electricidad. Los costos y precios relativos obtenidos afectan la economía. En muchos mercados, el precio pagado por la electricidad fotovoltaica vendida es significativamente menor que el precio de la electricidad comprada, lo que incentiva el autoconsumo. ^{[ 88 ]} Además, se han utilizado incentivos separados para el autoconsumo en, por ejemplo, Alemania e Italia. ^{[ 88 ]} La regulación de la interacción con la red también ha incluido limitaciones de la inyección a la red en algunas regiones de Alemania con grandes cantidades de capacidad fotovoltaica instalada. ^{[ 88 ] [ 89 ]} Al aumentar el autoconsumo, la inyección a la red puede limitarse sin recorte , lo que desperdicia electricidad. ^{[ 90 ]}

Una buena correspondencia entre generación y consumo es clave para un alto autoconsumo. Esta correspondencia puede mejorarse con baterías o consumo eléctrico controlable. ^{[ 90 ]} Sin embargo, las baterías son caras y su rentabilidad puede requerir la prestación de otros servicios además del aumento del autoconsumo, ^{[ 91 ]} por ejemplo, evitar cortes de energía . ^{[ 92 ]} Los tanques de almacenamiento de agua caliente con calefacción eléctrica mediante bombas de calor o calentadores de resistencia pueden proporcionar almacenamiento de bajo costo para el autoconsumo de energía solar. ^{[ 90 ]} Las cargas desplazables, como lavavajillas, secadoras y lavadoras, pueden proporcionar un consumo controlable con un efecto limitado en los usuarios, pero su efecto en el autoconsumo de energía solar puede ser limitado. ^{[ 90 ]}

El propósito político original de las políticas de incentivos para la energía fotovoltaica era facilitar un despliegue inicial a pequeña escala para comenzar a desarrollar la industria, incluso cuando el costo de la energía fotovoltaica era significativamente superior a la paridad de red, para permitir que la industria lograra las economías de escala necesarias para alcanzar la paridad de red. Desde que se alcanzó la paridad de red, se han implementado algunas políticas para promover la independencia energética nacional, ^{[ 93 ]} la creación de empleos de alta tecnología ^{[ 94 ]} y la reducción de las emisiones de _CO₂ . ^{[ 93 ]}

energía solar comunitaria

Un proyecto solar comunitario es una instalación de energía solar que recibe capital y proporciona créditos de producción y beneficios fiscales a múltiples clientes, incluidos particulares, empresas, organizaciones sin ánimo de lucro y otros inversores. Los participantes suelen invertir o suscribirse a una determinada capacidad en kW o generación en kWh de producción eléctrica remota. ^{[ 97 ]}

La inmensa mayoría de la electricidad producida en todo el mundo se utiliza inmediatamente porque los generadores tradicionales pueden adaptarse a la demanda y el almacenamiento suele ser más caro. Tanto la energía solar como la eólica son fuentes de energía renovable variable , lo que significa que toda la producción disponible debe utilizarse localmente, transmitirse a otro lugar para su uso o almacenarse (por ejemplo, en una batería). Dado que la energía solar no está disponible por la noche, almacenarla para tener una disponibilidad continua de electricidad es potencialmente un problema importante, particularmente en aplicaciones fuera de la red y para futuros escenarios de energía 100% renovable . ^{[ 103 ]} Como la energía solar es intermitente y depende tanto de la luz del día como de las condiciones climáticas, los países que siguen trayectorias de cero emisiones netas que dependen en gran medida de la energía solar normalmente necesitan integrarla con almacenamiento de baterías a gran escala, almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo o transmisión de energía a larga distancia para ayudar a mantener la fiabilidad de la red. ^{[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]}

La generación de energía solar puede predecirse hasta cierto punto en función de la hora del día, la ubicación y las estaciones, aunque la generación a corto plazo también depende de las condiciones meteorológicas. El desafío de integrar la energía solar en cualquier red eléctrica varía significativamente. En regiones con veranos calurosos e inviernos suaves, la energía solar suele ser adecuada para satisfacer las necesidades de refrigeración diurna. ^{[ 106 ]}

Las centrales de energía solar de concentración pueden utilizar almacenamiento térmico para almacenar energía solar, por ejemplo, en sales fundidas de alta temperatura. Estas sales son un medio de almacenamiento eficaz porque son de bajo costo, tienen una alta capacidad calorífica específica y pueden suministrar calor a temperaturas compatibles con los sistemas de energía convencionales. ^{[ 108 ]}

En los sistemas fotovoltaicos autónomos , las baterías se utilizan tradicionalmente para almacenar el exceso de electricidad. En los sistemas fotovoltaicos conectados a la red , el exceso de electricidad se puede enviar a la red eléctrica . Los programas de medición neta y tarifas de alimentación otorgan a estos sistemas un crédito por la electricidad que producen. Este crédito compensa la electricidad suministrada por la red cuando el sistema no puede satisfacer la demanda, comerciando efectivamente con la red en lugar de almacenar el exceso de electricidad. ^{[ 109 ]} Cuando la energía eólica y solar representan una pequeña fracción de la energía de la red, otras técnicas de generación pueden ajustar su producción adecuadamente, pero a medida que estas formas de energía variable crecen, se necesita un mayor equilibrio en la red. A medida que los precios disminuyen rápidamente, los sistemas fotovoltaicos utilizan cada vez más baterías recargables para almacenar un excedente que se utilizará más tarde por la noche. Las baterías utilizadas para el almacenamiento en la red estabilizan las redes eléctricas al nivelar las cargas máximas durante varias horas. ^{[ 110 ]}

La mayoría de las baterías domésticas son de iones de litio , principalmente de fosfato de hierro y litio (sobre todo desde alrededor de 2021), pero también algunas de níquel-manganeso-cobalto . ^{[ 111 ]} Las baterías de iones de litio tienen el potencial de reemplazar a las de plomo-ácido en un futuro próximo, ya que se están desarrollando intensivamente y se esperan precios más bajos debido a las economías de escala que ofrecen las grandes instalaciones de producción, como la Gigafactoría 1 de Tesla . Además, las baterías de iones de litio de los coches eléctricos enchufables pueden servir como futuros dispositivos de almacenamiento en un sistema de vehículo a red . ^{[ 112 ]} Dado que la mayoría de los vehículos están aparcados un promedio del 95 % del tiempo, sus baterías podrían utilizarse para permitir que la electricidad fluya del coche a las líneas eléctricas y viceversa. ^{[ 113 ]}

Las baterías de vehículos eléctricos (VE) retiradas pueden reutilizarse. ^{[ 114 ]} Otras baterías recargables utilizadas para sistemas fotovoltaicos distribuidos incluyen baterías redox de sodio-azufre y vanadio, dos tipos destacados de una batería de sales fundidas y una batería de flujo , respectivamente. ^{[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]}

La necesidad de un almacenamiento adecuado se ha vuelto cada vez más crítica a medida que aumenta la generación solar. En Europa, la capacidad insuficiente de almacenamiento y transmisión podría resultar en el desperdicio de aproximadamente 40 teravatios-hora de electricidad solar debido a la limitación de la producción en 2026, lo que equivale a abastecer de energía al Gran Londres durante un año, un aumento del 25 % en comparación con 2025 ^{[ 118 ]} .

Las centrales solares, si bien pueden ser limitadas, generalmente producen la mayor cantidad de energía posible. Por lo tanto, en un sistema eléctrico sin suficiente almacenamiento de energía en la red , la generación de otras fuentes (carbón, biomasa, gas natural, energía nuclear, energía hidroeléctrica ) generalmente fluctúa en respuesta a las fluctuaciones de la electricidad solar y las variaciones de la demanda (véase central eléctrica de seguimiento de carga ).

Las represas hidroeléctricas convencionales funcionan muy bien en combinación con la energía solar; el agua puede retenerse o liberarse de un embalse según sea necesario. Cuando no se dispone de una geografía adecuada, la hidroelectricidad de bombeo puede utilizar energía solar para bombear agua a un embalse alto en días soleados; luego, la energía se recupera por la noche y en caso de mal tiempo liberando agua a través de una central hidroeléctrica a un embalse bajo, donde el ciclo puede comenzar de nuevo. ^{[ 120 ]}

Si bien las centrales hidroeléctricas y de gas natural pueden responder rápidamente a los cambios en la carga, las centrales de carbón, biomasa y nucleares suelen tardar bastante en responder y solo pueden programarse para seguir la variación previsible. Dependiendo de las circunstancias locales, más allá del 20-40% de la generación total, las fuentes intermitentes conectadas a la red , como la solar, tienden a requerir inversión en alguna combinación de interconexiones a la red, almacenamiento de energía o gestión de la demanda . En países con alta generación solar, como Australia, los precios de la electricidad pueden volverse negativos a mediodía cuando la generación solar es alta, lo que incentiva el nuevo almacenamiento en baterías . ^{[ 121 ] [ 122 ]}

La combinación de energía eólica y solar fotovoltaica tiene la ventaja de que ambas fuentes se complementan, ya que los picos de funcionamiento de cada sistema ocurren en diferentes momentos del día y del año. ^{[ 123 ]} Por lo tanto , la generación de energía de estos sistemas híbridos solares es más constante y fluctúa menos que la de cada uno de los dos subsistemas componentes. ^{[ 124 ]} La energía solar es estacional, particularmente en climas del norte/sur, lejos del ecuador, lo que sugiere la necesidad de un almacenamiento estacional a largo plazo en un medio como el hidrógeno o la energía hidroeléctrica de bombeo. ^{[ 125 ]}