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

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

En el cuadro V.1 se presentan datos comparativos de las fuentes de energía: el porcentaje de su contribución al consumo de energía en el año 1983 y su prospectiva para el año 2000.

Aunque el valor de 0.3 para la electricidad solar puede parecer pequeño, representa el mayor incremento relativo en la contribución de las distintas fuentes. Le siguen los combustibles sintéticos y la electricidad nuclear.

El consumo comparado de energía en el mundo, por tipo de fuente, calculado en mil in Toe, (toneladas equivalentes de carbón), entre los años 1973 y 1983 se presenta en el cuadro V.2.

Cuadro V.1. Fuentes de energía

(Porcentajes de contribución en el mundo occidental)

	1983	2000
Petróleo crudo	49.0	40.0
Gas natural	17.0	18.0
Carbón	20.0	23.0
Hidroelectricidad	10.0	10.0
Electricidad nuclear	4.0	8.0
Combustibles sintéticos	0.4	0.9
Electricidad solar	0.0	0.3
FUENTE: CICH, UNAM. 1985.

Cuadro V.2. Consumo mundial

de energía por tipo de fuente (mil in Toe)

	1973	1983
Petróleo	2835	2810
Carbón	1 480	1 820
Gas natural	1 015	1290
Hidroelectricidad	330	470
Energía nuclear	50	240
Otras	55	70
TOTAL	5765	6700
FUENTE: CICH, UNAM. 1985.

En este cuadro se observa un crecimiento en el consumo de carbón, gas natural y sobre todo de energía nuclear, a costa de la disminución del consumo de petróleo, justificada por la crisis del año 1972. Debe notarse que, a pesar de la llamada "crisis energética", el consumo total de energía aumentó en estos 10 años, si bien disminuyó el consumo del petróleo.

Cuadro V.3. Consumo mundial de energía

(Porcentaje del consumo total por país o región. Datos 1996)

América 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	Japón	6.04
América central
y América del Sur	3.86	Francia	2.93
Medio Oriente	3.75	Reino Unido	2.75
África	2.86	MÉXICO	1.35
		Brasil	1.29
		Venezuela	0.62
		Argentina	0.58

Los países más industrializados consumen una gran parte de la energía que se produce a nivel mundial:

País	% del consumo mundial (1989) de combustibles fósiles
Canadá	2.5
Estado Unidos de América	24.8
Francia	1.9
Alemania	4.5
Italia	2.2
Inglaterra	2.9
Japón	4.8
Total	43.6

En la siguiente década, de 1990, en países como Australia, Suecia y Canadá, hasta un 5% de su consumo de energía proviene de "otras" (geotérmica, solar; biomasa, vientos).

También es interesante comparar los porcentajes de consumo y generación de energía respecto al porcentaje de población en 1984.

Región	Consumo	Producción	Población
	%	%	%
Europa Oriental, URSS y China	32	35	30
América del Norte	30	26	5
Europa Occidental	17	9	8
Asia (excepto China), Australia
y Oceanía	11	6	34
América del Sur	5	7	9
Africa	2	5	11
Medio Oriente	3	11	2
FUENTE: CICH, UNAM, 1985.

Es importante notar que América del Norte, con sólo un 5% de la población mundial, consume el 30% de la energía total y genera el 26% de la misma. La prospectiva - para el año 2000 en el consumo porcentual, por regiones, resulta muy semejante al calculado en 1984.

La energía solar como alternativa viable en la demanda mundial de energéticos se presentará destacando las siguientes posibilidades:

1. Fotoquímica y fotobiológica
2. Conversión directa en electricidad
3. Celdas fotoelectroquímicas (PEC)

Las otras opciones fundamentales para el abastecimiento de energía a largo plazo -la energía nuclear y la energía obtenida mediante el uso de combustibles sintéticos- no serán descritas en este libro.

POSIBILIDADES FOTOQUÍMICAS Y FOTOBIOLÓGICAS

La aportación de la energía solar a la demanda global de energía puede hacerse tan generalizada como la de los sistemas de energía nuclear; si se logra ampliar el intervalo utilizable de radiación electromagnética.

Los métodos para la utilización de la energía solar-aunque actualmente la investigación continúa- tienen la ventaja, en relación con los procesos de fusión, de proveer un uso controlado de la energía solar, como se ha demostrado a lo largo de la historia de la naturaleza en las reacciones fotobiológicas y fotoquímicas. A pesar de que aún estén lejanas las aplicaciones técnicas de dichas posibilidades, las decisiones al respecto dependerán de las políticas de investigación al inicio del próximo siglo, como también serán importantes las implicaciones sociales, económicas y políticas, en la elección de las opciones energéticas más viables. El factor dominante para el consumo futuro de energía está en razón de la velocidad de crecimiento de la población.

Figura 39. Según W Palz, Electricidad Solar, UNESCO, 1980

El curso de la historia, a partir de la crisis del petróleo, ha demostrado las oscilaciones en el interés de los gobiernos por apoyar los proyectos de fuentes alternas de energía y hasta qué punto dependen esos mismos gobiernos de las variaciones del precio y del uso del petróleo, que se han convertido en factores de presión política entre los países con reservas y los importadores. Sin embargo, es bien sabido que las fuentes de energía no renovables, como el petróleo, deben sustituirse a mediano o largo plazo.

Bajo la perspectiva de que el desarrollo de la investigación básica en los campos de la fotobiología y la fotoquímica es de gran interés para el futuro, éste sigue siendo un tema central en las discusiones sobre energéticos. Dentro de este tema es de gran trascendencia la obtención de hidrógeno mediante la fotolisis del agua:

H₂O ½ O₂+H₂

El uso de la energía solar para la producción de hidrógeno consta de tres grupos de procesos técnicos:

1) Procesos para la producción de hidrógeno a partir del agua y la luz solar. Abarcan la biofotolisis, la fotocatalisis, fotoelectrólisis, reacciones termoquímicas y la descomposición térmica directa del agua.

2) El segundo grupo incluye las técnicas fotovoltaica, termoiónica solar y procesos solares térmicos.

3) Este grupo incluye procesos para la producción de hidrógeno usando formas indirectas de energía solar: conversión de la energía térmica de los océanos, conversión de la energía eólica, conversión de la energía de las olas de los océanos, hidropotencia, energía de la biomasa y desperdicios.

La fotólisis del agua, fuera de las células vivas, ocurre utilizando sólo las radiaciones por debajo de 400 nm, lo cual implica un uso de sólo 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 fracción 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 fotólisis del agua se requiere un proceso en el cual intervengan varios fotones en la generación de electrones excitables, como es el caso de las plantas, como "sistemas fotosintéticos de transporte de electrones" (pigmento + aceptor de electrones). Esto corresponde a la posibilidad fotobiológica. Otro sistema fotosintético de transporte de electrones son los electrodos semiconductores (posibilidad fotoquímica). La transferencia de electrones entre el electrodo semiconductor y el electrólito (en este caso el agua) es posible sólo en dos intervalos: en la banda de conducción (donde ocurre la reducción del agua) o en la banda de valencia (oxidación del agua). Como ya se vio anteriormente, la situación energética de las bandas es típica para cada material semiconductor. Para que tenga lugar una transferencia de electrones, el potencial de la banda de conducción 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 termodinámicas, la banda prohibida debe ser por lo menos de 1.23 eV.

Por iluminación de semiconductores idóneos pueden pasar electrones de la banda de valencia a la de conducción; el semiconductor en el cual ocurre el proceso favorece una rápida separación de cargas (electrones y huecos). La reacción del agua en el semiconductor ocurre sin que sea necesario aplicar un voltaje externo. Uno de los semiconductores más usados para este proceso es el TiO₂ (óxido de titanio). El óxido de titanio tiene una banda prohibida de 3.0 eV, por lo cual el proceso fotoinducido sólo tiene lugar en un intervalo de longitudes de onda menores de 415 nm; la eficiencia cuántica es menor de 1%. Un electrodo, energéticamente más 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 reacción redox (como productora de corriente) como, por ejemplo, ferro/ferri cianuro de potasio, con lo cual se alcanza una eficiencia cuántica de 5%, que conlleva una menor estabilidad del electrodo (descomposición anódica del CdS). Por esta razón, se ha intensificado la búsqueda de otros materiales más estables, que tengan mejor comportamiento en nula y baja iluminación, como, por ejemplo, los calcogenuros de metales, de transición (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 cuántico, cuando se expone a la radiación visible del ultravioleta cercano, en ausencia de potenciales externos.

Así también, dentro de la fotosíntesis, se estudian procesos que se realicen fuera de las células vivas; al mismo tiempo, se intenta optimizar la producción de hidrógeno en microalgas.

¿Por qué es importante la obtención de hidrógeno a partir del agua? Ya hemos visto que el progreso técnico ha estado fuertemente unido al uso de combustibles no renovables, principalmente el petróleo. También sabemos que las reservas que se acumularon durante 70 millones de años se agotarán en una o dos generaciones. Este hecho, unido a la necesidad de conservar el petróleo como materia prima vital para la industria química orgánica -en la producción de productos de plástico, fibras sintéticas, fármacos, colorantes, detergentes y aun, en un futuro, de comestibles- y la creciente contaminación del aire causada por los transportes terrestres y aéreos han creado la necesidad de concertar esfuerzos en la búsqueda de opciones para sustituir el petróleo como combustible.

Del Sol hemos aprendido que es un "reactor de fusión". Provee hidrógeno para la combustión en tales cantidades que la entrada de energía a la superficie de la Tierra está asegurada durante millones de años.

Las ventajas del uso del hidrógeno como combustible sobre otros como los combustibles sintéticos, el metanol, etcétera, son:

• Desde el punto de vista técnico y económico, el hidrógeno es la alternativa más adecuada como sustituto del petróleo, ya que -como constituyente del agua- es el elemento más abundante de la naturaleza. Los combustibles sintéticos tienen al respecto la desventaja de que son manufacturados a partir del carbón, en cuyas reservas hay una tendencia decreciente y se espera que para el año 2050 sea escaso y caro.
• El H₂como combustible para máquinas es perfectamente compatible con las de combustión interna, las de Otto y Diesel y las turbinas de gas.

Como combustible para automóviles tiene las siguientes ventajas:

• Alta relación masa-energía (aproximadamente 110000 BTU/kg).
• Mayor temperatura de auto-ignición (585ºC), lo cual permite un grado de comprensión más alto.
• Promueve una mayor eficiencia de la máquina.
• Menor energía de ignición.
• Se aproxima más a la "combustión instantánea a volumen constante" ideal del ciclo de Otto.
• Amplio intervalo de los límites de inflamabilidad (4 a 75%), lo cual le da una mayor flexibilidad en la selección de las relaciones combustible-aire.
• No es contaminante. Elimina el óxido nítrico -único posible contaminante- por reducción.
• Ausencia de problemas de condensación de vapor en climas fríos.

PROBLEMAS DE SEGURIDAD

Es natural que cause preocupación el hecho de que el hidrógeno 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 afirmación de que es posible proveer las precauciones adecuadas. No debe olvidarse que tanto la gasolina como el gas natural y el gas licuado son también peligrosos y, sin embargo, su manipulación es común. Es más, el H₂ presenta al respecto la ventaja de que sus límites inferiores de inflamabilidad y detonabilidad son mayores. Debido a su ligereza y mayor difusibilidad, se facilita su rápida dispersión en la atmósfera, reduciendo así las posibilidades de que su concentración alcance dichos límites en el aire. Su mayor rapidez de combustión, 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 sofocación causadas por los gases tóxicos producidos en las llamas de los combustibles son imposibles en el caso del hidrógeno, ya que el producto de su combustión 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 métodos adecuados de detección.

PROBLEMAS EN EL TRANSPORTE DEL HIDRÓGENO

Las razones por las cuales no se ha extendido el uso del hidrógeno como una alternativa comercial práctica son:

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

2) Es más difícil diseñar las redes de distribucion.

3) Su costo es más elevado.

Consumo comparativo de electricidad respecto al total de energía consumida. Datos 1996.

País	Porcentaje de consumo de electricidad (hidroelectrica) respecto al consumo total de energía	Porcentaje de consumo de electricidad (nuclear) respecto al consumo total de energía	Porcentaje de consumo de electricidad respecto al consumo total de energía
Noruega	48.3	-	48.3
Francia	2.3	40	42.3
Canadá	12.0	12.5	24.5
Brasil	20.7	-	20.7
España	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 años comparadas con la inevitable elevación de los precios del petróleo. Existen tres posibilidades para hacer más compacto su almacenamiento.

1) Comprensión a altas presiones en cilindros de acero de paredes muy gruesas.

2) Licuefacción.

3) Almacenamiento dentro de compuestos químicos como los hidruros metálicos.

CONVERSIÓN DIRECTA DE LA ENERGÍA SOLAR EN ELECTRICIDAD

La energía proveniente de cualquier sistema es -en principio- convertible a electricidad. Sin embargo, todos los procesos que tienen lugar en esta transformación están sujetos a pérdidas de energía: Los generadores de electricidad como los motores diesel o de gasolina, las turbinas de gas, las centrales de energía geotérmica, los diodos termoiónicos y los generadores termoeléctricos, entre otros, están limitados por el llamado rendimiento de Carnot (no son 100% eficientes). Otros generadores tienen otro tipo de limitaciones. Por ejemplo, los hidroeléctricos tienen pérdidas por fricción, o por la evaporación del agua de los depósitos; los molinos de viento dependen de la constancia de la velocidad del viento; las celdas solares están limitadas por el porcentaje de radiación que pueden absorber y las lógicas fluctuaciones de la misma.

CELDAS SOLARES DE ESTADO SÓLIDO

La celda solar fotovoltaica es un dispositivo semiconductor en estado sólido, que produce electricidad útil en forma de un voltaje directo, y un flujo de corriente a partir de la conversión directa de la radiación luminosa del Sol, por medio del llamado efecto fotovoltaico. Este efecto implica la formación de pares electrón-hueco, la separación de los portadores de carga en una zona no homogénea (como un contacto metal-semiconductor o una unión p-n) y la movilidad de las cargas que deberán permanecer separadas por un tiempo considerable antes de recombinarse. La separación de las cargas es el origen del voltaje. La formación, movilidad y lenta recombinación de los pares electrón-hueco, generados por la absorción de los fotones, dan lugar al flujo de corriente.

Ya en la década de 1940 se conocían los aspectos fundamentales del comportamiento de materiales semiconductores, especialmente los aplicados a dispositivos electrónicos, pero hasta mediados de la década de 1950 no se concretó el uso de estos materiales en el aprovechamiento de la energía solar. En 1954, Chapin, Fuller y Pearson fabricaron un sistema de unión p-n utilizando silicio monocristalino con una eficiencia de conversión del 6%. Comercializado al año siguiente, este dispositivo continúa siendo el más conocido y difundido.

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

Monocristalinas: Básicamente son las constituidas por silicio monocristalino. Son las de mayor eficiencia debido a su estructura cristalina, pero también son las más costosas. Se utilizan en arreglos con o sin concentradores de luz.

Los elevados costos de preparación y purificación del silicio, con características adecuadas para ser utilizado como semiconductor en las celdas solares (esto es, unas 0.2 ppb de impurezas), así como las pérdidas de material en los procesos de corte y pulido, constituyen grandes obstáculos que hasta el momento han impedido el uso generalizado de estas celdas.

A la fecha no se ha establecido con certeza cuál es la pureza mínima requerida para el Si en celdas solares (Si "grado solar") en comparación con el silicio grado "metalúrgico" -que es la materia prima en la mayor parte de los procesos de purificación- o con el silicio empleado en circuitos: Si grado "electrónico".

Policristalinas: Se presentan en general en forma de películas delgadas fabricadas por diversas técnicas o por fusión y sintetización de algunos materiales. Su producción es menos costosa pero tienen problemas de estabilidad y baja eficiencia debido a una alta concentración de defectos cristalinos que favorecen la recombinación de los electrones y huecos.

Amorfas: Son las constituidas por materiales amorfos. Su preparación se realiza en forma de películas delgadas utilizando como materia prima compuestos orgánicos 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 aún quedan muchos detalles y problemas por resolver.

Otro punto a considerar en el desarrollo de celdas de silicio de estado sólido es el llamado "periodo de retorno energético", que es el tiempo que tiene que transcurrir antes de que la energía invertida en la fabricación de la celda pueda recuperarse en forma útil. Actualmente se consume tanta energía en la producción de las celdas que dicho periodo es de casi 20 años en celdas monocristalinas, de 5 a 10 años en celdas con Si policristalino y de menos de un año con Si amorfo. Esto indica que no basta con obtener un dispositivo de alta eficiencia de conversión, sino que se requiere que su vida útil sea apreciablemente mayor que el periodo de retorno energético. Esta situación sugiere que las únicas celdas con un futuro prometedor sean las de silicio amorfo y las fotoelectroquímicas. Estas últimas, con mejores perspectivas si se aplican en procesos fotosintéticos y fotocatalíticos que en la conversión directa a electricidad.

De la misma manera que en las celdas de estado sólido, los materiales amorfos constituyen una magnífica posibilidad de obtener celdas de uso generalizado, en las celdas fotoelectroquímicas se están investigando diversas opciones que incrementen la eficiencia de conversión y abatan los costos de operación.

Modificación: La estructura superficial de los electrodos puede alterarse en forma controlada. Esto se logra mediante la absorción de diferentes materiales que quedan fuertemente unidos al sustrato. De esta manera, se cambia la naturaleza química del electrodo, se aumenta el área de contacto con la solución electrolítica o se evita la corrosión y fotocorrosión del material.

Sensibilización: El empleo de sustancias coloridas, ya sea disueltas en el electrólito o unidas superficialmente al electrodo, contribuye a incrementar el intervalo de radiación luminosa absorbida. Esta técnica se conoce como "sensibilización por colorante" y se utiliza principalmente con materiales semiconductores cuya banda prohibida es demasiado grande (mayor de 2.5 eV).

Dispersión: La obtención de partículas semiconductoras de tamaño muy pequeño permite la preparación de dispersiones. Ya que cada partícula puede contener una región metalizada, se tiene un sistema equivalente a miles de pequeñas celdas fotoelectroquimicas, donde cátodo y ánodo se encuentran en la misma partícula.

La investigación en dispersiones de semiconductores ha contribuido al desarrollo de nuevas teorías de la evolución de la vida de nuestro planeta. Ya se vio en un capítulo anterior cómo el óxido de hierro policristalino, impurificado con silicio o con magnesio, cataliza la producción de hidrógeno bajo la irradiación solar. La abundancia de Fe, Mg y Si en el manto terrestre asegura que el hidrógeno pueda ser fotoproducido en grandes cantidades a partir del agua. Una vez producido el hidrógeno, es posible que se realicen las subsecuentes reacciones catalizadas, con CO₂ y N₂ para la producción de hidrocarburos y amoniaco. Así, la serie de reacciones que empiezan en la fotodescomposición del agua puede producir moléculas orgánicas y oxígeno, configurando una fotosíntesis preclorofilica.

Por otra parte se ha demostrado que la irradiación con luz solar de una mezcla que contiene amoniaco, metano (CH₄), agua y dióxido de titanio platinizado y dispersado, promueve la formación de compuestos orgánicos llamados aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas. Dado que las condiciones del experimento intentan simular las que existían en nuestro planeta hace miles de años, se puede pensar que ciertos mecanismos fotoelectroquimicos fueron decisivos en la evolución de los seres vivos. El intento del hombre por conquistar la energía solar resulta, así, una gran empresa para el futuro que puede ayudarle a desentrañar los misterios de su pasado.