La energía del Sol en tu casa
Juan Luis Peña Chapa¹

¿De dónde proviene la energía?
Ahora las preguntas que debemos hacernos son: ¿toda esta energía de dónde proviene? ¿Quién o qué la produce o la ha producido? La vida en la Tierra es producto de un proceso energético que ha tardado millones de años. La respuesta a estas preguntas es que el Sol es la fuente fundamental de energía en la Tierra.

Una de la teorías más antiguas, en la cual se ha trabajado mucho, propone que la vida en la Tierra pudo haberse originado con la energía de los volcanes, los rayos de las tormentas eléctricas y la luz ultravioleta (un componente de la luz proveniente del Sol) que podrían haber ayudado a desencadenar reacciones químicas de los gases simples (tales como metano y amoniaco) presentes en la atmósfera de la Tierra, para generar moléculas más complejas.

Las primeras células usaban como materia prima o fuente de energía a otras moléculas orgánicas u otras células. Algunas desarrollaron una nueva estrategia. En vez de utilizar los grupos de moléculas orgánicas libres, adoptaron la luz solar como fuente de energía. Estableciendo lo que llamamos fotosíntesis.

La fotosíntesis es la conversión que realizan las plantas: de energía luminosa a energía química. Esto trajo como resultado que la energía solar estuviera disponible no sólo para los grupos de células vivas —que realizan la fotosíntesis, como las plantas—, sino, también, para los que se nutren de ellas: los seres humanos, los vertebrados, los insectos…

La fotosíntesis consume como materias primas: agua y dióxido de carbono (presente en la atmósfera y que se utiliza en los refrescos para hacerlos efervescentes), que, aunados a la energía de la luz solar, producen carbohidratos ricos en energía química, la cual obtenemos cuando los ingerimos.

Así que ahora, no se sorprenderán cuando les diga que la energía del Sol está en su casa, pero también en su cuerpo, y en todo lo que nos rodea. Tampoco se sorprenderán, al saber que cuando quemamos leña obtenemos calor gracias a la energía luminosa que las plantas tomaron del Sol y almacenaron.

El consumo actual de energía en el mundo
Actualmente, el 80% de la energía que usamos en el mundo proviene de los combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. El combustible fósil puede utilizarse de la manera más común: quemándolo para obtener electricidad en las centrales termoeléctricas. Con el calor generado al quemar estos combustibles se calienta agua y se obtiene vapor, que, conducido a presión, es capaz de poner en funcionamiento un generador eléctrico. De nuevo, la energía que consumimos primordialmente proviene ¿de dónde creen? Adivinaron, ¡del Sol!

Las ventajas de los combustibles fósiles son que ahora resultan baratos y fáciles de obtener. Las desventajas: no son renovables, contaminan la atmósfera terrestre con gases venenosos producidos durante su combustión y dañan la salud de los seres humanos, y causan lo que se llama el “efecto de invernadero”. Esto significa que provocan el calentamiento de nuestra casa: el planeta Tierra.

La energía solar y su aprovechamiento
Hasta ahora, hemos hecho uso y abuso de las reservas actuales de los combustibles fósiles. Al Sol y a la naturaleza les tomó muchos cientos de millones de años producirlos —en condiciones especiales— bajo tierra. Mientras que los humanos en tan solo doscientos años, que son como dos segundos en la vida de la Tierra, ya casi los agotamos. Debemos aprender a usar la energía que el Sol nos regala…

La radiación solar interceptada por la Tierra constituye la principal fuente de energía renovable a nuestro alcance. La cantidad de energía solar captada por la Tierra anualmente es aproximadamente 4,500 veces la energía que consumimos en todo el mundo, también, en un año. Podemos concluir que la energía que nos llega del Sol es gratis, limpia, abundante y renovable.

Ahora la pregunta es: ¿cómo aprovechar la energía solar? Al respecto, se puede hablar de dos tipos de sistemas: 1) Los que convierten la radiación solar en electricidad mediante la tecnología de paneles fotovoltaicos (ver Figura 1) que están integrados con celdas solares, y 2) Los que se utilizan para la producción de energía térmica, como es el caso de los calentadores solares. Además, el Sol produce el viento que se usa en la energía eólica y produce las mareas que también ya han sido probadas como fuentes de energía. Adicionalmente, cabe considerar la posibilidad de hacer un uso más global de la radiación solar, la luz natural y las condiciones climatológicas concretas de cada emplazamiento en la construcción de edificios mediante lo que se ha llamado arquitectura bioclimática.

En particular hablaremos del aprovechamiento de la energía solar a través de celdas solares.

La energía solar fotovoltaica
En el Departamento de Física Aplicada de la Unidad Mérida del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, bajo la coordinación de quien escribe este artículo, se está desarrollando un proyecto de uso de energía solar fotovoltaica. Esta energía se capta a través de celdas que convierten los rayos solares en energía eléctrica.

En Mérida, dichas celdas son fabricadas usando dos materiales semiconductores. Un semiconductor conduce la electricidad de una manera intermedia entre un conductor —como el cobre—, y un aislante, como el plástico. Estos dos materiales empleados en las celdas están compuestos de los elementos químicos: Telurio, Cadmio y Azufre. Integrados en dos compuestos, que son el Teluro de Cadmio (CdTe), que es un semiconductor tipo p (p de positivo), porque se comporta eléctricamente como si la corriente eléctrica que circula en él fuera positiva. Y el otro es Sulfuro de Cadmio (CdS), tipo n (n de negativo) con conducción eléctrica por cargas negativas, como el electrón.

De estos dos materiales, con técnicas de vacío, se depositan películas muy delgadas sobre un substrato de vidrio. A este soporte, previamente se le deposita otra película delgada de otro material transparente y conductor. Éste servirá de contacto eléctrico. Al depositar una material semiconductor tipo p sobre otro tipo n, debido a sus propiedades químicas, se produce una unión llamada p-n que genera voltaje como en una batería. La unión tipo p-n al ser iluminada con cierto tipo de luz, como la solar, produce el efecto llamado fotovoltaico.

La luz, con su energía, logra excitar a las cargas eléctricas que, al moverse, generarán la corriente eléctrica que será transportada a los contactos para poder ser usada en el exterior; como —por ejemplo— para encender un foco.

La Figura 2 es una foto de la celda solar fabricada en nuestros laboratorios del CINVESTAV-IPN y en la Figura 3 se presenta un esquema de la misma.

Las propiedades fisicoquímicas del CdTe son tales, que aprovecha la mayor parte de la energía proveniente del Sol. Esto favorece su uso en condiciones del mundo real, como cielos nublados… o el polvo que se pueda acumular sobre los paneles. Para fabricarlas, no se necesita de una tecnología cara como las hechas de silicio.

En el escenario internacional, las celdas solares de películas delgadas de CdS y CdTe, con eficiencia record de 16.5% en un centímetro cuadrado de área, han logrado abaratar el costo de la energía fotovoltaica.

Para poder aumentar la eficiencia en áreas grandes, es necesario hacer un mayor esfuerzo en investigación y desarrollo tecnológico.

El proyecto de creación de un Laboratorio de Energías Renovables en la Península de Yucatán (LENERSE)
La Península de Yucatán se caracteriza por tener un potencial solar promedio de 5000 watts por hora y por metro cuadrado. Les sugiero que para que se den una idea de cuánta energía estamos hablando, vean cuánto gastan de electricidad en su casa revisando el recibo de CFE. La Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (Conuee), dependiente de la Secretaría de Energía, en un comunicado del 29 de diciembre de 2009, afirmó que México tiene una capacidad instalada de cogeneración de aproximadamente 3300 MW (MW que quiere decir megavatios o sean millones de watts) y que se podrían alcanzar los 11000 MW en el futuro.

Hagamos un cálculo aproximado de cuántas áreas de nuestro territorio nacional cubierto de celdas solares nos darían esa energía eléctrica. Claro que serían importadas, porque nosotros no fabricamos celdas solares a nivel comercial, y hasta donde tengo información no se fabrican en ningún país de América Latina…

Primero, usemos como referencia el valor de la eficiencia de conversión de las celdas solares disponibles en el mercado mexicano: 10%.

Tenemos una eficiencia del 10% lo cual significa que de la energía luminosa solar que reciben estas celdas sólo convierten en electricidad la décima parte; así de los 5000 watts por metro cuadrado que reciben, convierten en electricidad a solo 500 watts.

Ahora, si tomamos el valor de 11000 MW (que expresado numéricamente sería once mil millones de watts) y lo dividimos por 500 nos da el número de metros cuadrados. Resultan ser veintidós millones de metros cuadrados, que expresado en hectáreas son 2200. Es decir: ¡necesitaríamos cubrir aproximadamente una cuarta parte de la extensión del lago de Pátzcuaro!

Es sorprendente que si bien contamos con una tecnología fotovoltaica limpia y renovable para producir electricidad ¡casi no la usemos! Pero lo que es mucho peor, que no estemos preparados para producirla y tenerla en el futuro.

El cálculo realizado es muy simple, pero para hacer una instalación de paneles solares fotovoltaicos de esa magnitud, debemos saber que se trataría de un proyecto muy complejo, ambicioso y que muy pocos países en el mundo pueden realizar. Por lo todo lo anterior, cabe reflexionar que en nuestro país, el futuro energético debería incluir una alta participación de la energía solar fotovoltaica.

Trabajando en el presente para ese futuro, con apoyo del Gobierno del Estado de Yucatán y del CONACYT, se está por establecer el Laboratorio de Energías Renovables del Sureste (LENERSE) como una infraestructura de referencia del Sistema de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico del Estado de Yucatán (SIIDETEY), con sedes en los institutos participantes de cuatro estados de la región Sureste.

El LENERSE se dedicará al desarrollo de tecnología e investigación científica en energía solar  y  eólica; así como la vinculación con el sector privado y público, para ofrecer consultaría tecnológica, innovación y cursos de capacitación: Además, promoverá la formación de recursos humanos de alta calidad en los niveles Licenciatura, Maestría y Doctorado.

De este modo, se pretende hacer una sinergia entre los diferentes actores, fomentar la movilidad y la formación de recursos humanos, apoyar a las empresas regionales, impulsar el establecimiento de nuevas empresas en el tema de energías renovables, e impulsar su implementación en la región.

El proyecto será desarrollado en conjunto por ocho instituciones de cuatro estados en la región Sureste: CINVESTAV-IPN Unidad Mérida, Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán (FI-UADY), Instituto Tecnológico de Cancún (ITCan), Universidad de Quintana Roo (UQRoo), Universidad Autónoma de Carmen (UNACAR), Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (UJAT) y el Instituto Tecnológico de Campeche (ITCam).

Desde hace más de 30 años y con más de 100 publicaciones en el tema, el Grupo de Celdas Solares² del CINVESTAV-IPN, Unidad Mérida, trabaja en películas semiconductoras de CdS y CdTe y otros materiales. Basados en esta experiencia, la cual ha permitido producir celdas solares de CdS-CdTe con eficiencia de 10% en un área de 1 cm cuadrado (ver Figura 2), se fijan como objetivos para el proyecto del Laboratorio de Energías Renovables del Sureste:

1) Obtener celdas solares con la misma superficie, pero con eficiencia de conversión mayor al 12%. Esto permitirá obtener la certificación internacional IEC 60904, punto de partida para una posible vinculación con la industria.
2) Iniciar el estudio de la transferencia tecnológica y el escalamiento, mediante el desarrollo de pequeños paneles fabricados a partir de celdas de 3 centímetros cuadrados.

El desarrollo de este proyecto dará a la región la posibilidad de disponer de una tecnología escalable, con una posición muy ventajosa para el desarrollo académico, científico, económico y social, mediante una de las energías renovables más importantes y en crecimiento constante, como es la fotovoltaica.

Agradecimientos
Se reconoce el apoyo brindado por el Gobierno del Estado de Yucatán y el CONACYT por medio del proyecto “Creación del laboratorio de energías renovables del sureste (LENERSE)” FORDECYT.

El Dr. Juan Luis Peña Chapa agradece y reconoce, de igual forma, el apoyo brindado por el CONACYT para realizar una estancia sabática en el Departamento de Física de la Universidad de Parma, Italia.

¹Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Unidad Mérida.
Correo electrónico: jlpena@mda.cinvestav.mx
²El grupo Celdas Solares está integrado por los Doctores Juan Luis Peña Chapa, Oscar Ares Muzio,
Víctor Rejón Moo, Juan Manuel Camacho Pérez y, candidata a Doctor, Araceli Ríos Flores.