Es todo sobre el dinero. Por qué las soluciones tecnológicas aparentemente geniales a veces pueden fallar

Cuando era más joven, solía creer que la ciencia por sí sola podía resolver cualquier desafío tecnológico, y que cualquier solución que fuera técnicamente la mejor ganaría. Fue solo después de pasar unos años en la industria que me di cuenta de cómo la economía, las fuerzas del mercado y la competencia juegan papeles igualmente importantes (ya veces más importantes). Aprendí que una solución tecnológica que podría parecer excelente en el papel puede verse arrastrada por dificultades prácticas y un mal momento.

Por lo tanto, para cualquier persona que desarrolle nuevas tecnologías, es importante establecer puntos de revisión en los proyectos, evaluar continuamente el mercado y la competencia, y observar regularmente la preparación de su tecnología de una manera imparcial y equilibrada. Puedo pensar en docenas de tecnologías que no funcionaron como se esperaba. Pero aquí voy a explorar los "concentradores solares" fotovoltaicos (CPV): dispositivos que generan electricidad usando lentes o espejos curvos para concentrar la luz solar en diminutas células solares.

Me acordé de este tema mientras escribiendo sobre la célula solar más eficiente del mundo, que se desarrolló en 2019 en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. Es un dispositivo CPV y tiene una eficiencia récord del 47.1 % cuando se ilumina con 143 soles. A primera vista, el dispositivo suena increíble dado que los paneles planos fotovoltaicos (PV) de silicio actuales tienen una eficiencia de solo el 22 %.

¿Por qué la energía fotovoltaica de concentración, que alguna vez se promocionó como la próxima gran novedad, se quedó en el camino?

Claro, la mayoría de las instalaciones de CPV parecen impresionantes y futuristas, pero los PV de silicio de panel plano han bajado tanto de precio que los intentos de implementar CPV casi se han detenido desde 2017 (incluso si la investigación sobre ellos ha continuado). ¿Es por eso que los CPV, que alguna vez se promocionaron como la próxima gran novedad, se han quedado en el camino?

Las fuerzas del mercado

La investigación sobre los CPV comenzó a mediados de la década de 1970 después del impacto del embargo petrolero en Oriente Medio. (prog. Fotovoltio. Res. aplicación 8 93).. La mayor parte del trabajo se llevó a cabo en los Laboratorios Nacionales Sandia en Nuevo México, y el primer sistema consistía en una lente acrílica de Fresnel que enfocaba la luz solar en las células fotovoltaicas de silicio. Las celdas se enfriaban con agua para evitar que se calentaran y perdieran eficiencia; también usaron un sistema de seguimiento para que siempre miraran hacia el Sol.

Otras empresas rápidamente probaron suerte, con sistemas CPV desarrollados por todos, desde Motorola y Boeing hasta GE y RCA. Varios proyectos de demostración exitosos a gran escala surgieron de este trabajo inicial, en particular el Proyecto Soleras de 350 kW en Arabia Saudita y el sistema Entech de 300 kW en Austin, Texas. El primero funcionó continuamente desde 1981 durante más de 15 años y proporcionó información valiosa sobre los aspectos prácticos y los costos operativos de los CPV.

Sin embargo, a principios de la década de 1980, el trabajo se estancó cuando pasó la urgencia de la crisis energética. Con el petróleo y el gas natural demostrando ser mucho más abundantes de lo esperado, el costo de estos combustibles se desplomó. Entonces, una vez que los fondos federales de EE. UU. para CPV escasearon, la mayoría de los participantes se retiraron. La investigación se redujo, aunque unos pocos dedicados continuaron persiguiendo el sueño.

Era fácil culpar de la pérdida de interés en los CPV a los bajos precios del gas natural oa la falta de voluntad política. Pero el mayor problema fue que los sistemas CPV no se vendieron. Los paneles solares fotovoltaicos de silicio planos normales, en cambio, tienen cientos de aplicaciones, que van desde la navegación hasta las telecomunicaciones. Son increíblemente fiables, carecen de piezas móviles y necesitan muy poco mantenimiento.

Los paneles solares fotovoltaicos son particularmente útiles para las personas de los países en desarrollo, que ahora los usan para iluminación, refrigeración y bombeo de agua, especialmente si se encuentran en áreas remotas donde no hay otras fuentes de energía disponibles. En pocas palabras, ninguna de estas aplicaciones es particularmente adecuada para CPV, que solo eran rentables para instalaciones de más de 100 kW.

¿Un nuevo amanecer?

El mercado de CPV mejoró tras el desarrollo a principios de la década de 2000 de CPV de unión múltiple "tándem" de alta eficiencia, que combinan silicio con un semiconductor III-V como el arseniuro de galio. De hecho, se han puesto en marcha varios proyectos CPV de varios megavatios en todo el mundo desde 2010 utilizando este tipo de dispositivos. Los sistemas comerciales modernos tienen eficiencias de hasta el 42 % y la Agencia Internacional de la Energía cree que esto podría aumentar al 50 % a mediados de la década de 2020.

Y, sin embargo, incluso estos CPV superiores no son perfectos y necesitan sistemas de seguimiento activo para que siempre estén orientados hacia el sol, así como una refrigeración especial. Eso es mucha complejidad adicional para la eficiencia adicional. Además, las celdas no funcionan tan bien en condiciones de niebla o contaminación porque el espectro no coincide con las celdas espectralmente "sintonizadas". Los días nublados son otro problema porque la luz del sol no está lo suficientemente concentrada.

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Estas limitaciones de los sistemas fotovoltaicos de unión múltiple reducen su producción de energía e impactan la economía con costos de capital más altos y facturas de mantenimiento. Es difícil ver cómo pueden mejorar los paneles solares fotovoltaicos, cuyo precio se ha reducido en un 82 % entre 2010 y 2019, según la Agencia Internacional de Energías Renovables.

La caída en el costo de la energía solar fotovoltaica de panel plano ha sido impulsada principalmente por economías de escala, pero el gobierno chino también ha desempeñado un papel. Al subsidiar fuertemente su industria de energía solar fotovoltaica, algunos han discutido que China ha podido vender paneles solares en EE. UU. y Europa por menos de lo que cuesta fabricarlos y enviarlos. Conocida como "dumping", la práctica ha expulsado a los competidores y ha permitido a los proveedores chinos acaparar el mercado.

Ahora que la economía favorece tanto a la energía solar fotovoltaica de panel plano, las perspectivas a corto plazo para la industria de CPV se han desvanecido. Varias de las instalaciones de fabricación de CPV más grandes han cerrado sus operaciones, incluidas las de Suncore, Soitec, Amonix y SolFocus. Los paneles solares fotovoltaicos de panel plano, a pesar de ser menos eficientes, han ganado el día debido a la simple economía.

Sin embargo, no todo está perdido. Tal vez se avecina una segunda edad de oro para la tecnología de concentradores solares utilizando la energía concentrada para calentar líquidos, con el calor almacenado convertido en electricidad cuando el sol no brilla. Es una posibilidad fascinante de la que hablaré el próximo mes.

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