V. FRENTE A UNA NUEVA ERA CON EL SOL COMO ALIADO

EL PAPEL de la energ�a solar; como respuesta alternativa, a la demanda mundial de energ�ticos, ha de revisarse en el contexto de las otras opciones existentes.

En el cuadro V.1 se presentan datos comparativos de las fuentes de energ�a: el porcentaje de su contribuci�n al consumo de energ�a en el a�o 1983 y su prospectiva para el a�o 2000.

Aunque el valor de 0.3 para la electricidad solar puede parecer peque�o, representa el mayor incremento relativo en la contribuci�n de las distintas fuentes. Le siguen los combustibles sint�ticos y la electricidad nuclear.

El consumo comparado de energ�a en el mundo, por tipo de fuente, calculado en mil in Toe, (toneladas equivalentes de carb�n), entre los a�os 1973 y 1983 se presenta en el cuadro V.2.

Cuadro V.1. Fuentes de energ�a

(Porcentajes de contribuci�n en el mundo occidental)

	1983	2000
Petr�leo crudo	49.0	40.0
Gas natural	17.0	18.0
Carb�n	20.0	23.0
Hidroelectricidad	10.0	10.0
Electricidad nuclear	4.0	8.0
Combustibles sint�ticos	0.4	0.9
Electricidad solar	0.0	0.3
FUENTE: CICH, UNAM. 1985.

Cuadro V.2. Consumo mundial

de energ�a por tipo de fuente (mil in Toe)

	1973	1983
Petr�leo	2835	2810
Carb�n	1 480	1 820
Gas natural	1 015	1290
Hidroelectricidad	330	470
Energ�a nuclear	50	240
Otras	55	70
TOTAL	5765	6700
FUENTE: CICH, UNAM. 1985.

En este cuadro se observa un crecimiento en el consumo de carb�n, gas natural y sobre todo de energ�a nuclear, a costa de la disminuci�n del consumo de petr�leo, justificada por la crisis del a�o 1972. Debe notarse que, a pesar de la llamada "crisis energ�tica", el consumo total de energ�a aument� en estos 10 a�os, si bien disminuy� el consumo del petr�leo.

Cuadro V.3. Consumo mundial de energ�a

(Porcentaje del consumo total por pa�s o regi�n. Datos 1996)

Am�rica del Norte	29.76	Estados Unidos	25.6
Asia y Australia	25.70	China	9.45
Europa Occidental	18.0	Rusia	8.39
Europa Oriental	16.0	Jap�n	6.04
Am�rica central
y Am�rica del Sur	3.86	Francia	2.93
Medio Oriente	3.75	Reino Unido	2.75
�frica	2.86	M�XICO	1.35
		Brasil	1.29
		Venezuela	0.62
		Argentina	0.58

Los pa�ses m�s industrializados consumen una gran parte de la energ�a que se produce a nivel mundial:

País	% del consumo mundial (1989) de combustibles fósiles
Canad�	2.5
Estado Unidos de Am�rica	24.8
Francia	1.9
Alemania	4.5
Italia	2.2
Inglaterra	2.9
Jap�n	4.8
Total	43.6

En la siguiente d�cada, de 1990, en pa�ses como Australia, Suecia y Canad�, hasta un 5% de su consumo de energ�a proviene de "otras" (geot�rmica, solar; biomasa, vientos).

Tambi�n es interesante comparar los porcentajes de consumo y generaci�n de energ�a respecto al porcentaje de poblaci�n en 1984.

Regi�n	Consumo	Producci�n	Poblaci�n
	%	%	%
Europa Oriental, URSS y China	32	35	30
Am�rica del Norte	30	26	5
Europa Occidental	17	9	8
Asia (excepto China), Australia
y Ocean�a	11	6	34
Am�rica del Sur	5	7	9
Africa	2	5	11
Medio Oriente	3	11	2
FUENTE: CICH, UNAM, 1985.

Es importante notar que Am�rica del Norte, con s�lo un 5% de la poblaci�n mundial, consume el 30% de la energ�a total y genera el 26% de la misma. La prospectiva - para el a�o 2000 en el consumo porcentual, por regiones, resulta muy semejante al calculado en 1984.

La energ�a solar como alternativa viable en la demanda mundial de energ�ticos se presentar� destacando las siguientes posibilidades:

1. Fotoqu�mica y fotobiol�gica
2. Conversi�n directa en electricidad
3. Celdas fotoelectroqu�micas (PEC)

Las otras opciones fundamentales para el abastecimiento de energ�a a largo plazo -la energ�a nuclear y la energ�a obtenida mediante el uso de combustibles sint�ticos- no ser�n descritas en este libro.

POSIBILIDADES FOTOQU�MICAS Y FOTOBIOL�GICAS

La aportaci�n de la energ�a solar a la demanda global de energ�a puede hacerse tan generalizada como la de los sistemas de energ�a nuclear; si se logra ampliar el intervalo utilizable de radiaci�n electromagn�tica.

Los m�todos para la utilizaci�n de la energ�a solar-aunque actualmente la investigaci�n contin�a- tienen la ventaja, en relaci�n con los procesos de fusi�n, de proveer un uso controlado de la energ�a solar, como se ha demostrado a lo largo de la historia de la naturaleza en las reacciones fotobiol�gicas y fotoqu�micas. A pesar de que a�n est�n lejanas las aplicaciones t�cnicas de dichas posibilidades, las decisiones al respecto depender�n de las pol�ticas de investigaci�n al inicio del pr�ximo siglo, como tambi�n ser�n importantes las implicaciones sociales, econ�micas y pol�ticas, en la elecci�n de las opciones energ�ticas m�s viables. El factor dominante para el consumo futuro de energ�a est� en raz�n de la velocidad de crecimiento de la poblaci�n.

Figura 39. Seg�n W Palz, Electricidad Solar, UNESCO, 1980

El curso de la historia, a partir de la crisis del petr�leo, ha demostrado las oscilaciones en el inter�s de los gobiernos por apoyar los proyectos de fuentes alternas de energ�a y hasta qu� punto dependen esos mismos gobiernos de las variaciones del precio y del uso del petr�leo, que se han convertido en factores de presi�n pol�tica entre los pa�ses con reservas y los importadores. Sin embargo, es bien sabido que las fuentes de energ�a no renovables, como el petr�leo, deben sustituirse a mediano o largo plazo.

Bajo la perspectiva de que el desarrollo de la investigaci�n b�sica en los campos de la fotobiolog�a y la fotoqu�mica es de gran inter�s para el futuro, �ste sigue siendo un tema central en las discusiones sobre energ�ticos. Dentro de este tema es de gran trascendencia la obtenci�n de hidr�geno mediante la fotolisis del agua:

H₂O � O₂+H₂

El uso de la energ�a solar para la producci�n de hidr�geno consta de tres grupos de procesos t�cnicos:

1) Procesos para la producci�n de hidr�geno a partir del agua y la luz solar. Abarcan la biofotolisis, la fotocatalisis, fotoelectr�lisis, reacciones termoqu�micas y la descomposici�n t�rmica directa del agua.

2) El segundo grupo incluye las t�cnicas fotovoltaica, termoi�nica solar y procesos solares t�rmicos.

3) Este grupo incluye procesos para la producci�n de hidr�geno usando formas indirectas de energ�a solar: conversi�n de la energ�a t�rmica de los oc�anos, conversi�n de la energ�a e�lica, conversi�n de la energ�a de las olas de los oc�anos, hidropotencia, energ�a de la biomasa y desperdicios.

La fot�lisis del agua, fuera de las c�lulas vivas, ocurre utilizando s�lo las radiaciones por debajo de 400 nm, lo cual implica un uso de s�lo el 10% de la luz que irradia el Sol. Las radiaciones que pueden ser absorbidas directamente por el agua son de longitud de onda menores de 200 nm, lo cual corresponde a una fracci�n casi despreciable de las radiaciones que llegan a la Tierra: el espectro visible (400 - 700 nm) abarca aproximadamente el 45% de los rayos que inciden sobre la superficie terrestre. Para la fot�lisis del agua se requiere un proceso en el cual intervengan varios fotones en la generaci�n de electrones excitables, como es el caso de las plantas, como "sistemas fotosint�ticos de transporte de electrones" (pigmento + aceptor de electrones). Esto corresponde a la posibilidad fotobiol�gica. Otro sistema fotosint�tico de transporte de electrones son los electrodos semiconductores (posibilidad fotoqu�mica). La transferencia de electrones entre el electrodo semiconductor y el electr�lito (en este caso el agua) es posible s�lo en dos intervalos: en la banda de conducci�n (donde ocurre la reducci�n del agua) o en la banda de valencia (oxidaci�n del agua). Como ya se vio anteriormente, la situaci�n energ�tica de las bandas es t�pica para cada material semiconductor. Para que tenga lugar una transferencia de electrones, el potencial de la banda de conducci�n debe estar por arriba del potencial normal E₀ (H₂O/H₂) o el potencial de la banda de valencia por debajo del potencial E₀ (O₂/H₂O). Por razones termodin�micas, la banda prohibida debe ser por lo menos de 1.23 eV.

Por iluminaci�n de semiconductores id�neos pueden pasar electrones de la banda de valencia a la de conducci�n; el semiconductor en el cual ocurre el proceso favorece una r�pida separaci�n de cargas (electrones y huecos). La reacci�n del agua en el semiconductor ocurre sin que sea necesario aplicar un voltaje externo. Uno de los semiconductores m�s usados para este proceso es el TiO₂ (�xido de titanio). El �xido de titanio tiene una banda prohibida de 3.0 eV, por lo cual el proceso fotoinducido s�lo tiene lugar en un intervalo de longitudes de onda menores de 415 nm; la eficiencia cu�ntica es menor de 1%. Un electrodo, energ�ticamente m�s adecuado que el anterior, es de CdS (sulfuro de cadmio), en el que sin embargo no puede descomponerse el agua. Para ello, se deja ocurrir una reacci�n redox (como productora de corriente) como, por ejemplo, ferro/ferri cianuro de potasio, con lo cual se alcanza una eficiencia cu�ntica de 5%, que conlleva una menor estabilidad del electrodo (descomposici�n an�dica del CdS). Por esta raz�n, se ha intensificado la b�squeda de otros materiales m�s estables, que tengan mejor comportamiento en nula y baja iluminaci�n, como, por ejemplo, los calcogenuros de metales, de transici�n (MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂, TeS₂, TeSe₂).

Recientemente se ha demostrado que un diodo p/n, que consiste en un monocristal de p-Gap y n-Fe₂O₃ policristalino, puede descomponer el agua con bajo rendimiento cu�ntico, cuando se expone a la radiaci�n visible del ultravioleta cercano, en ausencia de potenciales externos.

As� tambi�n, dentro de la fotos�ntesis, se estudian procesos que se realicen fuera de las c�lulas vivas; al mismo tiempo, se intenta optimizar la producci�n de hidr�geno en microalgas.

�Por qu� es importante la obtenci�n de hidr�geno a partir del agua? Ya hemos visto que el progreso t�cnico ha estado fuertemente unido al uso de combustibles no renovables, principalmente el petr�leo. Tambi�n sabemos que las reservas que se acumularon durante 70 millones de a�os se agotar�n en una o dos generaciones. Este hecho, unido a la necesidad de conservar el petr�leo como materia prima vital para la industria qu�mica org�nica -en la producci�n de productos de pl�stico, fibras sint�ticas, f�rmacos, colorantes, detergentes y aun, en un futuro, de comestibles- y la creciente contaminaci�n del aire causada por los transportes terrestres y a�reos han creado la necesidad de concertar esfuerzos en la b�squeda de opciones para sustituir el petr�leo como combustible.

Del Sol hemos aprendido que es un "reactor de fusi�n". Provee hidr�geno para la combusti�n en tales cantidades que la entrada de energ�a a la superficie de la Tierra est� asegurada durante millones de a�os.

Las ventajas del uso del hidr�geno como combustible sobre otros como los combustibles sint�ticos, el metanol, etc�tera, son:

• Desde el punto de vista t�cnico y econ�mico, el hidr�geno es la alternativa m�s adecuada como sustituto del petr�leo, ya que -como constituyente del agua- es el elemento m�s abundante de la naturaleza. Los combustibles sint�ticos tienen al respecto la desventaja de que son manufacturados a partir del carb�n, en cuyas reservas hay una tendencia decreciente y se espera que para el a�o 2050 sea escaso y caro.
• El H₂como combustible para m�quinas es perfectamente compatible con las de combusti�n interna, las de Otto y Diesel y las turbinas de gas.

Como combustible para autom�viles tiene las siguientes ventajas:

• Alta relaci�n masa-energ�a (aproximadamente 110000 BTU/kg).
• Mayor temperatura de auto-ignici�n (585ºC), lo cual permite un grado de comprensi�n m�s alto.
• Promueve una mayor eficiencia de la m�quina.
• Menor energ�a de ignici�n.
• Se aproxima m�s a la "combusti�n instant�nea a volumen constante" ideal del ciclo de Otto.
• Amplio intervalo de los l�mites de inflamabilidad (4 a 75%), lo cual le da una mayor flexibilidad en la selecci�n de las relaciones combustible-aire.
• No es contaminante. Elimina el �xido n�trico -�nico posible contaminante- por reducci�n.
• Ausencia de problemas de condensaci�n de vapor en climas fr�os.

PROBLEMAS DE SEGURIDAD

Es natural que cause preocupaci�n el hecho de que el hidr�geno sea inflamable y explosivo, para efectos de su transporte y uso. Sin embargo, se ha examinado a fondo este aspecto y el resultado ha sido la afirmaci�n de que es posible proveer las precauciones adecuadas. No debe olvidarse que tanto la gasolina como el gas natural y el gas licuado son tambi�n peligrosos y, sin embargo, su manipulaci�n es com�n. Es m�s, el H₂ presenta al respecto la ventaja de que sus l�mites inferiores de inflamabilidad y detonabilidad son mayores. Debido a su ligereza y mayor difusibilidad, se facilita su r�pida dispersi�n en la atm�sfera, reduciendo as� las posibilidades de que su concentraci�n alcance dichos l�mites en el aire. Su mayor rapidez de combusti�n, combinada con su baja densidad, hace que las llamas provocadas por el H₂ se eleven en el aire en dos o tres minutos, por lo que son menos destructivas que las de otros combustibles. Las muertes por sofocaci�n causadas por los gases t�xicos producidos en las llamas de los combustibles son imposibles en el caso del hidr�geno, ya que el producto de su combusti�n es solamente el agua.

Sus grandes desventajas con respecto a la seguridad son la facilidad con que puede escapar y el hecho de que su flama es invisible. Para evitar lo anterior se han desarrollado m�todos adecuados de detecci�n.

PROBLEMAS EN EL TRANSPORTE DEL HIDR�GENO

Las razones por las cuales no se ha extendido el uso del hidr�geno como una alternativa comercial pr�ctica son:

1) No ser condensable debido a su ligereza. Esto causa que sus tanques de transporte deban ser muy voluminosos.

2) Es m�s dif�cil dise�ar las redes de distribucion.

3) Su costo es m�s elevado.

Consumo comparativo de electricidad respecto al total de energ�a consumida. Datos 1996.

Pa�s	Porcentaje de consumo de electricidad (hidroelectrica) respecto al consumo total de energía	Porcentaje de consumo de electricidad (nuclear) respecto al consumo total de energ�a	Porcentaje de consumo de electricidad respecto al consumo total de energ�a
Noruega	48.3	-	48.3
Francia	2.3	40	42.3
Canad�	12.0	12.5	24.5
Brasil	20.7	-	20.7
Espa�a	2.5	15.24	17.74
Alemania	0.48	11.7	17.74
Reino Unido	0.27	10.5	10.77
Estados Unidos	1.05	8.55	9.60
Venezuela	9.12	-	9.12
Argentina	4.30	4.53	8.83
Rusia	2.3	3.8	6.1
India	2.8	0.6	3.4
MEXICO	2.14	1.03	3.17
China	1.94	0.4	2.34

Estas desventajas deben dejar de ser relevantes dentro de unos 30 a�os comparadas con la inevitable elevaci�n de los precios del petr�leo. Existen tres posibilidades para hacer m�s compacto su almacenamiento.

1) Comprensi�n a altas presiones en cilindros de acero de paredes muy gruesas.

2) Licuefacci�n.

3) Almacenamiento dentro de compuestos qu�micos como los hidruros met�licos.

CONVERSI�N DIRECTA DE LA ENERG�A SOLAR EN ELECTRICIDAD

La energ�a proveniente de cualquier sistema es -en principio- convertible a electricidad. Sin embargo, todos los procesos que tienen lugar en esta transformaci�n est�n sujetos a p�rdidas de energ�a: Los generadores de electricidad como los motores diesel o de gasolina, las turbinas de gas, las centrales de energ�a geot�rmica, los diodos termoi�nicos y los generadores termoel�ctricos, entre otros, est�n limitados por el llamado rendimiento de Carnot (no son 100% eficientes). Otros generadores tienen otro tipo de limitaciones. Por ejemplo, los hidroel�ctricos tienen p�rdidas por fricci�n, o por la evaporaci�n del agua de los dep�sitos; los molinos de viento dependen de la constancia de la velocidad del viento; las celdas solares est�n limitadas por el porcentaje de radiaci�n que pueden absorber y las l�gicas fluctuaciones de la misma.

CELDAS SOLARES DE ESTADO S�LIDO

La celda solar fotovoltaica es un dispositivo semiconductor en estado s�lido, que produce electricidad �til en forma de un voltaje directo, y un flujo de corriente a partir de la conversi�n directa de la radiaci�n luminosa del Sol, por medio del llamado efecto fotovoltaico. Este efecto implica la formaci�n de pares electr�n-hueco, la separaci�n de los portadores de carga en una zona no homog�nea (como un contacto metal-semiconductor o una uni�n p-n) y la movilidad de las cargas que deber�n permanecer separadas por un tiempo considerable antes de recombinarse. La separaci�n de las cargas es el origen del voltaje. La formaci�n, movilidad y lenta recombinaci�n de los pares electr�n-hueco, generados por la absorci�n de los fotones, dan lugar al flujo de corriente.

Ya en la d�cada de 1940 se conoc�an los aspectos fundamentales del comportamiento de materiales semiconductores, especialmente los aplicados a dispositivos electr�nicos, pero hasta mediados de la d�cada de 1950 no se concret� el uso de estos materiales en el aprovechamiento de la energ�a solar. En 1954, Chapin, Fuller y Pearson fabricaron un sistema de uni�n p-n utilizando silicio monocristalino con una eficiencia de conversi�n del 6%. Comercializado al a�o siguiente, este dispositivo contin�a siendo el m�s conocido y difundido.

Es conveniente clasificar las celdas fotovoltaicas de acuerdo con la macro y microestructura del material con el que est�n constituidas. Se tienen tres tipos:

Monocristalinas: B�sicamente son las constituidas por silicio monocristalino. Son las de mayor eficiencia debido a su estructura cristalina, pero tambi�n son las m�s costosas. Se utilizan en arreglos con o sin concentradores de luz.

Los elevados costos de preparaci�n y purificaci�n del silicio, con caracter�sticas adecuadas para ser utilizado como semiconductor en las celdas solares (esto es, unas 0.2 ppb de impurezas), as� como las p�rdidas de material en los procesos de corte y pulido, constituyen grandes obst�culos que hasta el momento han impedido el uso generalizado de estas celdas.

A la fecha no se ha establecido con certeza cu�l es la pureza m�nima requerida para el Si en celdas solares (Si "grado solar") en comparaci�n con el silicio grado "metal�rgico" -que es la materia prima en la mayor parte de los procesos de purificaci�n- o con el silicio empleado en circuitos: Si grado "electr�nico".

Policristalinas: Se presentan en general en forma de pel�culas delgadas fabricadas por diversas t�cnicas o por fusi�n y sintetizaci�n de algunos materiales. Su producci�n es menos costosa pero tienen problemas de estabilidad y baja eficiencia debido a una alta concentraci�n de defectos cristalinos que favorecen la recombinaci�n de los electrones y huecos.

Amorfas: Son las constituidas por materiales amorfos. Su preparaci�n se realiza en forma de pel�culas delgadas utilizando como materia prima compuestos org�nicos que contienen silicio. En la actualidad se han intensificado los estudios sobre estos sistemas, con la esperanza de poder fabricar celdas solares de bajo costo, aunque a�n quedan muchos detalles y problemas por resolver.

Otro punto a considerar en el desarrollo de celdas de silicio de estado s�lido es el llamado "periodo de retorno energ�tico", que es el tiempo que tiene que transcurrir antes de que la energ�a invertida en la fabricaci�n de la celda pueda recuperarse en forma �til. Actualmente se consume tanta energ�a en la producci�n de las celdas que dicho periodo es de casi 20 a�os en celdas monocristalinas, de 5 a 10 a�os en celdas con Si policristalino y de menos de un a�o con Si amorfo. Esto indica que no basta con obtener un dispositivo de alta eficiencia de conversi�n, sino que se requiere que su vida �til sea apreciablemente mayor que el periodo de retorno energ�tico. Esta situaci�n sugiere que las �nicas celdas con un futuro prometedor sean las de silicio amorfo y las fotoelectroqu�micas. Estas �ltimas, con mejores perspectivas si se aplican en procesos fotosint�ticos y fotocatal�ticos que en la conversi�n directa a electricidad.

De la misma manera que en las celdas de estado s�lido, los materiales amorfos constituyen una magn�fica posibilidad de obtener celdas de uso generalizado, en las celdas fotoelectroqu�micas se est�n investigando diversas opciones que incrementen la eficiencia de conversi�n y abatan los costos de operaci�n.

Modificaci�n: La estructura superficial de los electrodos puede alterarse en forma controlada. Esto se logra mediante la absorci�n de diferentes materiales que quedan fuertemente unidos al sustrato. De esta manera, se cambia la naturaleza qu�mica del electrodo, se aumenta el �rea de contacto con la soluci�n electrol�tica o se evita la corrosi�n y fotocorrosi�n del material.

Sensibilizaci�n: El empleo de sustancias coloridas, ya sea disueltas en el electr�lito o unidas superficialmente al electrodo, contribuye a incrementar el intervalo de radiaci�n luminosa absorbida. Esta t�cnica se conoce como "sensibilizaci�n por colorante" y se utiliza principalmente con materiales semiconductores cuya banda prohibida es demasiado grande (mayor de 2.5 eV).

Dispersi�n: La obtenci�n de part�culas semiconductoras de tama�o muy peque�o permite la preparaci�n de dispersiones. Ya que cada part�cula puede contener una regi�n metalizada, se tiene un sistema equivalente a miles de peque�as celdas fotoelectroquimicas, donde c�todo y �nodo se encuentran en la misma part�cula.

La investigaci�n en dispersiones de semiconductores ha contribuido al desarrollo de nuevas teor�as de la evoluci�n de la vida de nuestro planeta. Ya se vio en un cap�tulo anterior c�mo el �xido de hierro policristalino, impurificado con silicio o con magnesio, cataliza la producci�n de hidr�geno bajo la irradiaci�n solar. La abundancia de Fe, Mg y Si en el manto terrestre asegura que el hidr�geno pueda ser fotoproducido en grandes cantidades a partir del agua. Una vez producido el hidr�geno, es posible que se realicen las subsecuentes reacciones catalizadas, con CO₂ y N₂ para la producci�n de hidrocarburos y amoniaco. As�, la serie de reacciones que empiezan en la fotodescomposici�n del agua puede producir mol�culas org�nicas y ox�geno, configurando una fotos�ntesis preclorofilica.

Por otra parte se ha demostrado que la irradiaci�n con luz solar de una mezcla que contiene amoniaco, metano (CH₄), agua y di�xido de titanio platinizado y dispersado, promueve la formaci�n de compuestos org�nicos llamados amino�cidos, que son los componentes b�sicos de las prote�nas. Dado que las condiciones del experimento intentan simular las que exist�an en nuestro planeta hace miles de a�os, se puede pensar que ciertos mecanismos fotoelectroquimicos fueron decisivos en la evoluci�n de los seres vivos. El intento del hombre por conquistar la energ�a solar resulta, as�, una gran empresa para el futuro que puede ayudarle a desentra�ar los misterios de su pasado.