L'ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

   
2. HISTÒRIA

 
2.1 L'energia

L'energia es defineix com la capacitat que tenen els cossos per a realitzar un treball. Per això, l'energia és el que fa moure les coses. Sense energia, ni nosaltres ni el planeta Terra existiríem.

Les fonts d'energia són els elements existents en la natura susceptibles de ser transformats en energia, com pot ser l'aigua, el vent, el carbó, el petroli i sobretot, la primera font d'energia i la que fa que sigui possible que existeixin totes les altres: el Sol.

Des de la prehistòria els humans hem necessitat l'energia per a fer els treballs. Al principi sol hi havia l'energia humana i la dels animals, després va aparèixer l'energia provinent dels combustibles vegetals, més tard es van inventar un conjunt de màquines que ens ajudaven a transformar l'energia que ens proporcionava la terra en energia útil (la sínia, els molins de vent...).

En els dos últims segles l'energia ha donat un canvi pel que fa a la forma de ser obtinguda. A principis del segle XIX l'energia es va començar a produir a partir de combustibles fòssils. Primer va ser el carbó, que va ser molt utilitzat amb l'esclat de la revolució industrial, però els constants avenços tècnics, sobretot donats per la indústria automobilística i per l'esclat de la primera guerra mundial, van fer necessari la introducció d'una nova font d'energia: el petroli. Durant la segona guerra mundial l'ús del gas natural va pujar molt, ja que s'havien resolt els problemes d'emmagatzematge i transport, però no va igualar mai al consum del petroli. L'any 1954 es va produir un altre canvi molt important en la història de l'energia. S'havia inaugurat a l'antiga URSS la primera central elèctrica que produïa energia gràcies a la fissió atòmica. Els problemes que causen la radiació nuclear i els residus tòxics han fet que aquestes centrals, amb un rendiment molt alt, no hagin estat acceptades per la societat.

A l'any 1970, el 50 per cent de l'energia consumida provenia de la combustió del petroli, i aquesta xifra augmentaria en els anys següents. Però a l'any 1973, i a conseqüència de la guerra araboisraeliana, la humanitat es va començar a replantejar la necessitat d'aquesta dependència dels combustibles fòssils. El preu del petroli es va multiplicar per tres i va començar l'anomenada "Crisi del petroli". És en aquest any quan es va començar a investigar la implantació de noves fonts d'energies. Es van buscar energies que fossin inexhauribles. En aquest moment neix el concepte d'energia renovable.

Les energies renovables són aquelles fonts d'energia que es renoven de manera continuada. Les energies renovables es caracteritzen també per ser netes, ja que no contaminen, en contraposició de les energies procedents dels combustibles fòssils. A la dècada dels 70 es van començar a reutilitzar formes de producció d'energia ja utilitzades a l'edat mitja, com les produïdes per la força de l'aigua (abans per mitjà de la sínia i ara gràcies a les centrals hidroelèctriques) o del vent (abans aprofitada pels molins de vent i ara per les centrals eòliques). Però a part d'aquestes dos fonts d'energies renovables i de les geotèrmiques, maremotrius o per combustió de la biomassa (aquestes últimes no han tingut gaire sortida per culpa del seu cost elevat i del seu baix rendiment), es va començar a investigar una energia que no provenia de la Terra, sinó que provenia de molt més lluny, del Sol, l'astre que havia fet possible l'existència de la Terra. Dins de l'energia solar se'n van investigar dos camps, la tèrmica, que és la que aprofita l'energia calorífica del Sol per a escalfar o produir calor, i la fotovoltaica, que aprofita la radiació solar per a convertir-la en energia elèctrica.

Avui en dia, la crisi del petroli, present cada dia en les nostres vides per culpa de la repercussió que té el barril de petroli en el mercat internacional, els problemes causats pels residus nuclears, l'esgotament de recursos i la contaminació causada per la combustió per a generar energia, fa que hi hagi un canvi de mentalitat en la política energètica, que impulsa, encara que de forma insuficient, l'estalvi d'energia i l'ús de les energies renovables.

El nom de fotovoltaic és un mot compost fet amb les arrels de phos (que en grec significa llum) i de volta (en honor a Alexandre Volta, constructor de la primera pila elèctrica, denominada galvànica, a l'any 1800), que es fa servir per denominar la generació d'electricitat amb l'energia radiant del Sol.

Sembla ser que els fenòmens fotoelèctrics van ser descoberts l'any 1808 per Hallwachs, però va ser Heinrich Hertz qui va enunciar els principis bàsics de la fotoelectricitat forces dècades més tard. L'any 1839 el físic francès Edmon Becquerel va descobrir l'efecte fotovoltaic a l'observar que dues planxes de metall submergides en un líquid conductor i exposades a la llum solar generaven un petit voltatge. Quaranta anys més tard, un noble anglès, Willoughby Smith, va descobrir que el Seleni era sensible a la llum. Pocs anys més tard Adams i Daays van comprovar que a l'exposar llum directament al Seleni, aquest s'excitava i produïa electricitat. L'any 1886, un industrial americà anomenat Charless Firtts va desenvolupar la primera cèl·lula de seleni amb una eficiència de conversió elèctrica d'entre un 1 i un 2 % . Avui en dia, molts sensors de les màquines fotogràfiques segueixen sent de seleni. Un any més tard, al 1887 Hertz va observar que la guspira saltava més fàcilment entre dues esferes de diferent potencial quan aquestes eren il·luminades per una llum procedent d'una altra descàrrega. Posteriorment, Hertz també va observar que una làmina de zinc carregada negativament i unida a un electroscopi perdia la seva càrrega de forma instantània si era il·luminada per un arc voltaic. Hertz va deduir gràcies a aquests experiments que tots els metalls si estan sota l'acció d'un llum emetien càrregues negatives. Aquests resultats experimentals el van portar a fer unes deduccions que, juntament amb unes hipòtesis fetes per Plank uns anys abans sobre la teoria dels quantums o fotons, a l'any 1902 serien interpretats teòricament per Albert Einstein.

L'any 1918 el científic polonès Czochralski va desenvolupar un mètode per fer créixer els cristalls de silici, que uns anys més tard seria molt útil per a la construcció de cèl·lules fotovoltàiques en cadena. L'any 1954, Chapin, Fueller i Perarson van desenvolupar per al laboratori Bell Telephone la primera cèl·lula fotovoltaica de silici amb una eficiència del 4,5 %, que mesos després es va millorar fins al 6 %. Un altre fet que servirà per al desenvolupament de l'energia solar és la conquesta espacial, ja que l'única forma d'obtenir energia elèctrica a l'espai serà mitjançant plafons solars fotovoltaics. Així, a l'any 1958, el satèl·lit Vanguard incorpora un plafó solar d'un watt per a la ràdio que operarà durant vuit anys. Aquest va ser el primer plafó que va tindre una aplicació útil. A l'any 1963 s'instal·len plaques de fins a 242 W per il·luminar una casa japonesa amb una instal·lació fotovoltaica que és la més gran del moment.

A l'any 1973 la crisi del petroli provoca un encariment dels hidrocarburs fòssils que desemboca en una febre per trobar sistemes d'energia alternatius [5]. A l'any 1977, i degut a aquesta febre començada a l'any 1973, la producció de plaques fotovoltàiques assoleix la xifra de 500 kW. Solament tres anys més tard, a l'any 1980, la companyia ARCO Solar, avui coneguda com Siemens Solar, produeix més d'1 MW de mòduls fotovoltaics en tan sols un any. Aquell mateix any, una coneguda companyia petroliera, la British Petroleum (BP), s'introdueix en el mercat solar, assolint una política sobre les energies renovables que l'ha portat a ser una de les primeres productores mundials, amb la fàbrica de plaques solars més important a Madrid.

L'any 1981 l'avió experimental Solar Challenger fa el seu primer vol. Dos anys després un cotxe mogut únicament per energia solar fotovoltaica aconsegueix recórrer 4.000 km pel continent australià en menys de 20 dies i a una velocitat mitja de 24 km/h i una velocitat màxima de 72 km/h. L'any 1986 ARCO Solar desenvolupa i comercialitza el primer mòdul de pel·lícula fotovoltaica. Aquell mateix any s'assolia la producció de 26 MW d'energia fotovoltaica a tot el món.

L'any 1993 se celebra la primera Conferència Mundial de l'Energia Solar, promoguda per l'Unesco. Aquell mateix any s'inaugura a Toledo una planta fotovoltaica d'1 MW, el doble del que produïa tota la població mundial 16 anys abans (al 1977). A l'any 1995 el mercat mundial arriba als 80 MW en mòduls fotovoltaics. A Europa hi ha 66 empreses dedicades a la producció de cèl·lules fotovoltàiques, i la producció d'aquestes assoleix els 22 MW, que suposa un 30 % de la producció mundial (80 MW). Quasi un 50% de la producció europea es destina a l'exportació, bàsicament per al seu ús en països en via de desenvolupament. A Mataró s'inaugura la biblioteca Pompeu Fabra [6], que seria un objecte d'admiració mundial gràcies a la seva moderna estructura de teulada i façana solar fotovoltaica integrada a l'edifici.

Actualment, a l'any 2001, la producció fotovoltaica mundial és de 150 MW. A l'any 2010 se suposa que als Estats Units s'arribarà al milió de teulades amb un sistema fotovoltaic instal·lat. Aquest mateix any, a Europa la producció arribarà als 70 MWp [7].

El mercat de l'energia solar fotovoltaica es troba en fase de creixement i la tendència mundial és d'augmentar les aplicacions, tal com es mostra a la Figura 2.1, on es detecta que als propers anys hi haurà una forta tendència a la implantació d'instal·lacions fotovoltàiques connectades a la xarxa elèctrica, tant en centrals fotovoltaiques de gran potència com en instal·lacions de petita potència integrades als edificis.

Figura 2.1. Evolució i previsions de creixement de la potència fotovoltaica instal·lada al món
segons tipus d'aplicació.
Font: Comissió Europea DG XVII, 1997

L'energia solar fotovoltaica presenta una implantació molt variable en els diferents països de la Unió Europea, encara que a nivell global, les ventes en el mercat europeu de l'energia solar fotovoltaica suposen el 26 % del mercat mundial.

La variació d'implantació que existeix entre uns països i els altres de la Unió Europea es deu tant a factors climàtics (el clima varia molt d'una part a una altra del continent europeu) com a les aplicacions predominants (que poden ser electrificació rural, petites instal·lacions connectades a la xarxa o grans centrals fotovoltaiques).

Els països europeus capdavanters en l'energia solar són Alemanya, Itàlia, Suïssa, França, Holanda i Espanya, amb la potència instal·lada més gran. En la Figura 2.2, es veu la distribució de la potència de captació instal·lada en els països de la Unió Europea (Suïssa no surt en tercer lloc perquè no forma part de la Unió Europea).

Figura 2.2. Principals països de la Unió Europea per potència solar fotovoltaica al 1999.
(% de creixement respecte l'any anterior).
Font: IDEA/ EnR EurObserver'ER

Alemanya ha desenvolupat de forma espectacular les aplicacions fotovoltaiques, encara que a l'estar al nord d'Europa estigui condicionada per les condicions climàtiques. La majoria de les instal·lacions corresponen a aplicacions connectades a la xarxa en centrals de poca potència instal·lades en edificis.

Dins dels països amb elevada implantació de les tecnologies fotovoltaiques destaca Itàlia, que té condicions climàtiques més adequades que Alemanya, però no que Espanya. Itàlia compta amb varies de les denominades centrals de potència amb potències pròximes o superiors a 1 MW, encara que s'acaba d'inaugurar una planta que arriba als 3,3 MW de potència de captació.

A Espanya, l'energia fotovoltaica es va començar a desenvolupar a principis dels anys vuitanta, però no hi va haver un augment significatiu d'instal·lacions durant aquesta dècada. A partir de l'any 1991, la potència fotovoltaica a Espanya a crescut considerablement, i cal remarcar que a la fi de l'any 1999 era de 9,4 MWp.

La distribució d'aquests 9,4 MWp en les diferents comunitats autònomes es pot observar en la Figura 2.3.

Figura 2.3. Distribució de la potència instal·lada amb energia solar fotovoltaica a finals de 1999.
Font: IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía)

Andalusia és la comunitat autònoma amb més potència instal·lada, ja que és on hi ha més radiació solar i és la comunitat autònoma amb més superfície territorial. Castella-La Manxa ocupa el segon lloc en quant a potència instal·lada, però això és gràcies a la planta fotovoltaica TOLEDO PV, instal·lada al 1993, que amb 1 MW de producció genera el 82 % del total existent en aquesta regió.

El mercat de productes fotovoltaics a Espanya es caracteritza per una forta estructura d'intercanvis comercials a nivell internacional. Així, molt del material fabricat a Espanya va destinat a altres països, però també existeix una forta importació de productes.

Existeixen dos fabricants de col·lectors solars fotovoltaics a Espanya que utilitzen la tecnologia del silici cristal·lí i fan bona part del procés de fabricació en el nostre país. Bona part del mercat nacional es basa en els productes d'aquests fabricants, però també entren en el mercat plafons fotovoltaics procedents d'altres països de la Unió Europea i del Japó.

El nombre d'empreses instal·ladores i de comercialització amb una certa entitat arriba a la trentena, encara que també hi ha moltes empreses petites que munten plaques solars.

Pel que fa al tipus d'instal·lacions, com es pot observar en la Figura 2.4, l'electrificació rural en llocs aïllats suposa més de la meitat de la potència instal·lada, però l'entrada de noves aplicacions com la connexió a la xarxa elèctrica i l'espectacular creixement de les aplicacions professionals fa que la situació tendeixi a canviar en els pròxims anys.

Figura 2.4. Distribució del tipus d'aplicació.
Font: IDAE

Catalunya és la cinquena comunitat amb més potencial fotovoltaic instal·lat. Com a la resta de l'Estat espanyol, es va començar a desenvolupar de forma significativa al principi dels anys vuitanta, però Catalunya sí que va mantenir un creixement anual força estable. A finals de 1999, la potència instal·lada a Catalunya superava els 600 kWp i això suposava un 6,5 % del total de l'estat espanyol.

La major part de les instal·lacions s'ha dut a terme en projectes d'electrificació rural i explotacions agrícoles. Les comarques que tenen un major nombre d'instal·lacions fotovoltaiques són aquelles que han rebut subvencions o han estat objecte d'un programa específic d'electrificació fotovoltaica, com és el cas de la Garrotxa, el Solsonès o l'Alt Urgell. Però en els darrers anys, s'han desenvolupat noves tecnologies per a la integració a cobertes i façanes d'edificis de plafons o mòduls fotovoltaics connectats a la xarxa elèctrica. Al quadre 2.1 es pot observar les principals instal·lacions fotovoltaiques a Catalunya.

Quadre 2.1. Principals projectes i instal·lacions fotovoltaiques a Catalunya.
Font: ICAEN (Institut Català d'Energia)

Pel que fa al mercat de productes fotovoltaics, a Catalunya no hi ha fabricants de cèl·lules solars. Únicament hi ha dues empreses que realitzen una part del procés de fabricació de mòduls fotovoltaics.

Pel que fa empreses instal·ladores i de comercialització, n'hi ha unes deu a tota Catalunya (ja hem vist que a Espanya el nombre era d'unes 30), encara que està previst que el nombre creixi en pocs anys. A més, com a la resta d'Espanya, hi ha un nombre superior d'instal·ladors, ja que l'activitat d'aquests no se centra únicament en l'energia solar fotovoltaica.

5. V. Punt 2.1 (L'energia) d'aquest treball.
6. V. Punt 6.2 (Biblioteca Pompeu Fabra) d'aquest treball.
7. Segons l'estudi Photovoltaics in 2010 realitzat per EPIA (Associació Europea d'Indústries Fotovoltàiques).