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Informe de Vigilancia Tecnológica

Tendencias tecnológicas mundiales en el desarrollo y aplicación de paneles solares fotovoltaicos

Elaborado por: Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) e IALE Tecnología, S.L.

Mayo, 2009

TABLA DE CONTENIDOS

RESUMEN EJECUTIVO 6

1. INTRODUCCIÓN 11

2. ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS SOLARES FOTOVOLTAICAS 12

2.1. Caracterización de las tecnologías en desarrollo-aplicación-expansión a escala mundial 12

2.1.1. Células fotovoltaicas 14

2.1.1.1. Materiales utilizados en la fabricación de células fotovoltaicas 14

2.1.1.2. Tipos de células 16

2.3. Tecnologías en aplicación-expansión a escala mundial: Actores líderes 29

2.4. Tecnologías en desarrollo-aplicación-expansión en España 33

2.4.1. Matriz actores vs. Tecnologías 39

3. MERCADO DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 40

3.1. Estado actual del mercado solar fotovoltaico 41

3.1.1. Consideraciones sobre los costes de la industria fotovoltaica 42

3.2. Mercado mundial del polisilicio 45

3.4. Mercado solar fotovoltaico en España: previsiones 46

3.5. Empresas líderes a escala mundial 48

3.5.1. Q-Cells AG – Alemania 51

3.5.2. Sharp Corporation – Japón 52

3.5.3. Suntech Power Holding Co. Ltd. – China 52

3.5.4. Kyocera Solar Corporation – Japón 53

3.5.5. First Solar, Inc. – EE.UU 54

3.5.6. Motech Industries, Inc. – Taiwán 55

3.5.7. SolarWorld AG – Alemania 55

3.5.8. Sanyo Electric Co., Ltd. – Japón 56

3.5.9. Yingli Green Energy Holding Co., Ltd. – China 57

3.5.10. Ja Solar Holding Co., Ltd. – China 58

4. POLÍTICAS, AMBIENTE REGULATORIO Y SUBVENCIONES 59

4.1. Regulaciones y Subvenciones de mayor relevancia en el territorio español 63

5. PREVISIONES FUTURAS PARA LA INDUSTRIA SOLAR FOTOVOLTAICA 67

6. BIBLIOGRAFÍA 71

7.ANEXOS 76

7.1. Anexo I. Especialización tecnológica de los centros españoles según la temática de sus publicaciones 77

7.2. Anexo II. Otras empresas líderes a escala mundial en la industria solar fotovoltaica 96

Fuente: Elaboración propia. 106



ABREVIATURAS EMPLEADAS EN EL INFORME

  • ASIF: Asociación de la Industria Fotovoltaica

  • CEA: Commissariat à l’énergie atomique

  • CeRMAE: Centro de Referencia de Investigación y Desarrollo en Materiales Avanzados para la Energía

  • CGV: Vertical Gradient Freeze

  • CIBER-BBN: Centro de Investigación Biomédica en Red en Bioingeniería, Biomateriales y Biomedicina

  • CICATA: Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada

  • CIEMAT: Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas

  • CIGS: Diseleniuro de Cobre, Indio y Galio

  • CIN2: Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología

  • CINVESTAV: Centro de Investigación y de Estudios Avanzados

  • CIS: Seleniuro de Cobre e Índio

  • CNR: Consiglio Nazionale dele Ricerche

  • CNRS: Centre National dele Recherche Scientifique

  • CRIC : Centre de Recerca i Investigació de Catalunya

  • CSIC: Consejo Superior de Investigaciones Científicas

  • DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency

  • DIPC: Donostia International Physics Center

  • DSSC: Dye-Sensitized Solar Cell

  • EERE: Energy Efficiency and Renewable Energy

  • ENSCP: École Nationale Supérieure de Chimie de Paris

  • EPIA: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica

  • FV: Fotovoltaico(a)

  • IBEC : Instituto de Bioingeniería de Cataluña

  • ICFO : Instituto de Ciencias Fotónicas

  • ICIQ: Instituto Catalán de Investigación Química (Institut Català d'Investigació Química)

  • ICMA: Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón

  • ICMAB: Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (Institut de Ciència de Materials de Barcelona)

  • ICMM: Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid

  • ICMOL: Instituto de Ciencia Molecular

  • ICMSE: Instituto de Ciencias de Materiales de Sevilla

  • ICN: Instituto Catalán de Nanotecnología

  • ICTP: Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros

  • ICP: Instituto de Catálisis y Petroleoquímica

  • ICREA: Institución Catalana para la Investigación y los Estudios Avanzados (Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats)

  • ICV: Instituto de Cerámica y Vidrio

  • IICO: Instituto de Investigación en Comunicación Óptica

  • IEM: Instituto de Estructura de la Materia

  • IES: Instituto de Energía Solar

  • IPN: Instituto Politécnico Nacional

  • ISMN: Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati

  • ISMAC: Istituto per lo Studio delle Macromolecole

  • ITQ: Instituto de Tecnología Química

  • LITEC: Laboratorio de Investigación en Tecnologías de la Combustión

  • MEG: Multiple Exciton Generation

  • NREL: National Renewable Energy Laboratory

  • PSA: Plataforma Solar de Almería

  • PBG: photonic bandgap

  • QDs: Quantum Dots

  • SEIA: Solar Energy Industries Association

  • Si-a: Silicio amorfo

  • Si-c: Silicio cristalino

  • Si-mc: Silicio multicristalino

  • Si-sc: Silicio monocristalino

  • UPC: Universidad Politécnica de Cataluña

RESUMEN EJECUTIVO


La preocupación por el cambio climático, así como por el incremento de los precios de los combustibles fósiles está fomentando el desarrollo de fuentes renovables de energía y en particular el uso de la energía solar fotovoltaica.

Los principales componentes de un sistema fotovoltaico, FV, son: las células (que convierten la energía del sol en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico que ocurre en materiales semiconductores), los módulos (constituidos por un gran número de células) y los inversores (que se utilizan para convertir la electricidad generada en una forma adecuada para el uso diario). En los sistemas aislados además se requiere un sistema de almacenamiento, como una batería (generalmente de tipo plomo-ácido para almacenar la energía de uso posterior) y un controlador de carga, para proteger a las baterías de las descargas o sobrecargas y para proporcionar información sobre el estado del sistema o permitir la medición y el prepago de la electricidad utilizada.

Existen distintos tipos de materiales semiconductores: Si, Ge, AsGa, CuIns2, TeCd, etc. En la actualidad, el silicio es el más usado para la fabricación de células FV. Aunque muy abundante en la corteza terrestre no aparece en estado libre sino en forma de óxido, como en el cuarzo, las amatistas el ópalo, o como silicatos en el granito, la arcilla o la mica. La materia prima para su obtención es la sílice, óxido de silicio (SiO2), uno de los componentes de la arena que se somete a varios procesos de purificación, hasta la obtención de silicio de grado semiconductor (polisilcristalino) con una pureza del 99,9999%.

Tecnologías solares fotovoltaicas

La primera generación de células fotovoltaicas se basa en el empleo del silicio como material semiconductor, silicio cristalino (Si-c) monocristalino, Si-sc, y multicristalino, Si-mc). En el proceso de fabricación del Si-mc se utiliza silicio de menor calidad y coste que en la producción de Si-sc, no obstante la diferencia de eficiencias entre las células de Si-sc y de Si-mc es relativamente pequeña. Este tipo de células son las que dominan el mercado, a finales de 2007 el 45,2% de la producción total fue de Si-mc y el 42,2% de Si-sc.

La escasez de silicio en el mercado por su utilización en la industria electrónica y el alto coste del proceso de fabricación, están impulsando el desarrollo de las células de lámina delgada –segunda generación- y otras nuevas tecnologías, todavía en estado de I+D -tercera generación-. Entre los materiales semiconductores utilizados en las células de segunda generación se incluyen: el seleniuro de cobre e indio (CuInSe2 o CIS), el diseleniuro de cobre, indio y galio (Cu(InGa)Se2 o CIGS), el telurio de cadmio (CdTe) y el silicio amorfo (Si-a). Los módulos de Si-a parecen ser ideales para ser integrados en componentes de la edificación y en la actualidad alcanzan valores de eficiencia superiores al 10%, pero inferiores a los de las de células solares de Si-c. Las células CIS y las de TeCd tienen una degradación inferior a las de Si-a y un rendimiento mayor, pero tienen como inconveniente el uso de materiales altamente tóxicos y de elevado coste. Entre las células de lámina delgada, las de Si-a han suscitado el mayor interés comercial por parte de grandes inversores y han alcanzado las mayores cuotas de mercado de este segmento; sin embargo, las células CIGS son las que presentan un mayor potencial debido a su alta eficiencia y bajo coste. Para el año 2012 se prevé que de los 42,8 GW totales de células fotovoltaicas, 15 GW corresponderán a células FV de lámina delgada.

Entre las tecnologías FV de segunda generación cabe destacar otros desarrollos, entre ellos: las células de arseniuro de Galio (GaAs) -con un alto grado de absorción, incluso mayores que las del silicio- y las células multiunión (apilación de células solares con distintos espacios de banda), ambas con gran potencial para su aplicación en los sistemas de concentración. Estos sistemas incorporan elementos ópticos para concentrar la luz en la célula para maximizar la energía solar recibida y reducir la superficie receptora, aumentando la eficiencia de conversión y reduciendo costes.

El Instituto Fraunhofer en Alemania ha conseguido obtener un record para las células multiunión, con un 41,1% de eficiencia. De los sistemas de concentración ya se han realizado múltiples prototipos y pequeñas plantas de demostración. En España gracias a la iniciativa lanzada por el Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentración –Isofoc- varias empresas están desarrollando productos comerciales y llevando a cabo su industrialización, y bajo la administración de Isofotón se están instalando varias plantas con una potencia total de 3 MW.

Entre las células de tercera generación se incluyen las células solares orgánicas (poliméricas), las células de Grätzel o DSSC (del inglés Dye-sensitised Solar Cell), las células de banda intermedia, entre otras. Las células solares poliméricas se caracterizan por un proceso de fabricación más barato y por aplicaciones más versátiles. Al estar constituidas por compuestos de carbono el material resultante es, a diferencia del silicio, ultrafino, ligero y flexible aunque tienen una menor eficiencia.

Las células DSSC aprovechan la combinación de un semiconductor nanoestructurado (TiO2 en la mayoría de los casos) y un colorante orgánico para incrementar la potencia de captación de luz solar. En este caso se pueden alcanzar niveles de eficiencia del 11%, y es posible fabricarlas en serie con una eficiencia del 6%. Numerosos países -entre ellos Suiza, EE.UU. y Australia- están realizando importantes inversiones para hacer viable esta tecnología, y diferentes compañías como Dyesol y Konarka ya están inicializando su aprovechamiento comercial.

La eficiencia óptima que se puede llegar a conseguir en células solares de banda intermedia está en torno al 63%, frente al 22% conseguido actualmente para una célula solar de silicio. El IES en colaboración con la Universidad de Glasgow ha fabricado células de banda intermedia usando puntos cuánticos de AsIn en una matriz de AsGa, pero el rendimiento aún es muy bajo.

Un nuevo material que se está investigando para la fabricación de células solares son los cristales fotónicos. En el Instituto de Microelectrónica de Madrid –IMM- fabrican cristales fotónicos en materiales semiconductores III-V, como GaAs e InP y sus aleaciones. En 2008, este grupo del CSIC ha patentado un nuevo tipo de célula solar con eficiencia de hasta un 30%, superior a las células solares convencionales.

Un nuevo concepto de células solares son las denominadas de generación por múltiple excitación (MEG, Multiple Excitation Generation). A finales del 2008, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) en colaboración con Innovalight anunció que el efecto MEG tiene lugar de forma eficaz en los nanocristales de silicio. Estos resultados pueden mejorar considerablemente la eficacia de conversión de las células solares convencionales.



Indicadores de I+D+i: Principales actores españoles

Desde 1975 hasta la actualidad se publicaron 915 artículos relacionados con la energía solar fotovoltaica, más del 50% tuvo lugar en los últimos cinco años (2004-2008). Los países situados a la cabeza son: EE.UU. (25%), Japón (13%) y Alemania (10%). España se encuentra en la octava posición con un 3%. El 79.7% de los artículos tratan sobre el desarrollo de materiales y el 20.3% restante sobre sistemas fotovoltaicos. El elevado número de artículos publicados en 2008 sobre células de tercera generación, indica claramente que la investigación actual está enmarcada –fundamentalmente- en este tipo de células.

En España, desde hace 25 años, la industria fotovoltaica se está desarrollando con tecnología propia, apoyada por diversas instituciones, públicas y privadas, dedicadas a la investigación. Existen más de 80 centros dedicados a la investigación sobre energía solar fotovoltaica. El Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid ocupa una posición de liderazgo, correspondiéndole el 18% de las publicaciones, las áreas en que centran su investigación son: las células multiunión, las de banda intermedia y los sistemas de concentración. A continuación, se encuentra el CIEMAT con un 12%, dedicado principalmente al desarrollo de sistemas fotovoltaicos de lámina delgada basados en silicio amorfo y microcristalino y en materiales calcopiríticos. El Grupo de Física de Materiales Electroactivos de la Universidad Jaume ocupa la tercera posición (9,0%), con investigaciones experimentales y teóricas en el campo de los semiconductores nanoestructurados, las células solares fotoelectroquímicas nanoestructuradas y los polímeros conductores electrónicos.

Mercado mundial

El mercado solar FV tiene un volumen mundial aproximado de 13.000 € millones (2007), con una potencia instalada acumulada superior a los 9.000 MWp. Las ventas de módulos FV se ubican en el orden de 2.700 MW al año. En los últimos tres años el crecimiento de esta industria oscila entre el 40 y el 70% anual, y alcanzó los mayores niveles de crecimiento en el mercado español, con más de un 300% en 2008.

Los países líderes en cuanto a capacidad FV instalada son: España, Alemania, EE.UU., y Japón. En 2007 la Unión Europea acumulaba más del 50% de esta potencia. En la producción de células y módulos FV se ha experimentado un crecimiento global del mercado superior al 60%; en este segmento destacan –por orden de prioridad-: China, Alemania, Japón, Taiwán, EE.UU., India y Australia.

Las instalaciones conectadas a la red representan el 82% del total de aplicaciones FV, seguidas de los sistemas aislados integrados a viviendas, los remotos industriales y los productos de consumo. Los sistemas FV a gran escala conectados a la red son el motor del auge actual de la energía FV, debido fundamentalmente a los incentivos de países desarrollados como: Alemania, España, Japón y EE.UU.

Uno de los principales obstáculos para el desarrollo del mercado FV es el coste de la electricidad solar. Los resultados más recientes vislumbran un futuro prometedor: las aplicaciones de consumo han logrado alcanzar la fase comercial sin necesidad de subvenciones; a pesar de los altos costes requeridos para la inversión inicial, los costes de explotación son bajos; se ha incrementado la fiabilidad y los tiempos de vida útil de los sistemas FV; se acentúa la tendencia al incremento y la continua fluctuación del precio de los combustible fósiles; y se experimenta una paulatina disminución de los costes de generación de energía FV derivado de los avances tecnológicos y las economías de escala: en los últimos 15 años el coste de desarrollo e instalación –en sistemas conectados a la red en EE.UU.- ha disminuido de 16 $/W (1992) a 7,6 $/W (2007).

El silicio se mantiene como la materia prima básica para la industria FV. Es el segundo elemento más abundante del planeta y, sin embargo, el mercado de extracción y refinado de este elemento se enfrenta a un problema de escasez y a elevados costes de procesado. No obstante, las perspectivas de este mercado para los próximos años son alentadoras: las previsiones de producción de polisilicio podrían pasar de 33.000 toneladas en 2007 a 125.000 toneladas en 2012, a un precio inferior a los 100 $/ kg a finales de 2009 y entre 50 $ y 80 $ en 2010.

El mercado fotovoltaico mundial está dominado por grandes plantas FV centralizadas y la competencia entre los principales fabricantes se intensifica cada vez más. Las empresas líderes en la fase más avanzada de la cadena de valor son: Q-Cells (Alemania), Sharp (Japón), Suntech Power (China), Kyocera (Japón), First Solar (EE.UU.), Motech (Taiwán), SolarWorld (Alemania), Sanyo (Japón), Yingli (China) y Ja Solar (China). Estas empresas se dedican –fundamentalmente- a la producción de células y paneles fotovoltaicos de primera y segunda generación, y a la prestación de servicios de diseño, instalación y explotación de plantas FV conectadas a la red eléctrica.

Mercado español

España ha sido el mayor mercado mundial FV en 2008 con una potencia instalada de 2.661 MW y unas reducciones sostenidas del precio del vatio instalado de un 5% anual aproximadamente. La industria solar en España se ha comprometido a que el kWh fotovoltaico iguale al kWh residencial antes de 2020. El tejido industrial está formado por más de 400 empresas, la mayor parte con más de 25 años de experiencia; los principales fabricantes son: Isofotón, BP Solar, Atersa, Siliken, Gamesa y Solaria.

En la actualidad la industria FV española, se ubica en un punto de inflexión. Según los expertos el principal freno es la nueva regulación fotovoltaica (Real Decreto 1578/2008) que limita la capacidad de crecimiento orgánico de las compañías y reduce las primas que reciben los productores de energía FV. Varias previsiones indican que España perderá posiciones en el mercado FV mundial y pasará de ostentar el 20% del mercado mundial a controlar sólo el 12% en 2011.

Políticas, regulaciones y subvenciones

A pesar de los incontables esfuerzos gubernamentales -liderados por países desarrollados- todavía queda mucho por hacer para transformar el potencial de la electricidad solar FV en realidad. Un paso decisivo es introducir una gama mucho más amplia de actores en el sector, en especial en las áreas de inversión, financiación, marketing y consumo. Al mismo tiempo, se requiere transmitir a una audiencia lo más amplia posible, el mensaje de que la electricidad solar aportará beneficios socioeconómicos, industriales y medioambientales a las regiones que fomenten de forma activa su adopción.

El mecanismo de apoyo más eficaz –aplicado en países europeos, incluido España- ha sido el sistema de primas (feed-in tariff) otorgada a los productores de electricidad FV. En España, a escala estatal y autonómica se aplican otros sistemas de ayudas, entre ellos: las subvenciones a fondo perdido para la instalación de equipos, y la financiación especial con intereses muy bajos.

Previsiones futuras

Según los pronósticos del Banco Mundial, en 2020 el mercado FV superará los 30.000 MWp y se estima que cada 20 años sea 140 veces mayor. En 2030 la energía solar FV aportará entre el 8.9% y el 13,8% de la electricidad generada a escala mundial, la capacidad acumulada de los sistemas FV será de 1.864 GW, se producirán 2.646 TWh de electricidad, existirán 1.280 millones de clientes con conexión a la red, el potencial de creación de empleo acumulado se ubicará en 10 millones de puestos de trabajo, la reducción acumulada de emisiones de CO2 será de 8.953 millones de toneladas de CO2, el coste de la electricidad solar oscilará entre 7 y 13 € por kWh, y el valor del mercado será de 454.000 millones € al año.



Con relación al desarrollo tecnológico, aunque el silicio cristalino posee cuotas superiores al 90% del mercado mundial, se prevé -para el corto plazo- que las células solares de segunda generación experimenten los mayores índices de desarrollo y crecimiento. Las previsiones auguran un papel importante para las tres generaciones actuales: en 2030 cada una de las tres clases de tecnologías cubrirá un tercio de un mercado mayor que el actual en varios órdenes de magnitud.
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