El gran salto adelante de la energía solar

Para ver el futuro de la energía solar, tome un viaje en tren de una hora hacia el interior desde Shanghai y luego un viaje en taxi a todo volumen a través del smog de Wuxi, una ciudad china de rápido crecimiento de cinco millones de habitantes. Después de atravesar un parque industrial, llegará a la puerta principal de Suntech Power, una empresa que en los pocos años transcurridos desde su fundación se ha convertido en el mayor fabricante mundial de paneles solares de silicio cristalino.

Los paneles solares cubren toda la cara frontal de la extensa sede de ocho pisos. Casi 2.600 paneles de dos metros de largo forman la fachada solar conectada a la red más grande del mundo. Junto con una serie de 1.800 paneles más pequeños en el techo, puede generar un megavatio de energía en un día soleado. Se espera que produzca más de un millón de kilovatios-hora de electricidad en un año, suficiente para más de 300 personas en China.

Esta historia fue parte de nuestro número de julio de 2010

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En 2001, cuando se fundó Suntech, todas las fábricas de paneles solares en China que operaban a plena capacidad habrían tardado seis meses en construir suficientes paneles para una matriz tan masiva. La primera fábrica de Suntech, que abrió en 2002, redujo ese tiempo a poco más de un mes. Hoy en día, la empresa puede fabricar esa cantidad de paneles en menos de un turno de 12 horas. Para fines de este año, los trabajadores podrían estar listos para la hora del almuerzo. La capacidad de producción de Suntech ha aumentado de 10 megavatios al año en 2002 a más de 1.000 megavatios en la actualidad. La fabricación solar china en su conjunto ha aumentado su capacidad de dos megavatios en 2001 a más de 4.000 megavatios.

Ese rápido crecimiento, impulsado por la implacable reducción de costos, ha permitido a los fabricantes chinos superar a los de Estados Unidos, Japón y Alemania en menos de una década para convertirse en la mayor fuente de paneles solares del mundo. En todo el mundo, los paneles solares chinos representaron aproximadamente la mitad de los envíos totales en 2009. Y se espera que esa proporción crezca este año. De los 10 mayores fabricantes de paneles solares, la mitad tiene su sede en China. En 2007, los fabricantes estadounidenses suministraron el 43 por ciento de los paneles para un programa de reembolso solar en California. El resto provino casi exclusivamente de Japón y Alemania; sólo el 2 por ciento procedía de China. Ahora las empresas chinas suministran el 42 por ciento de los paneles, y la participación de Estados Unidos ha caído al 15 por ciento según un análisis de Nathaniel Bullard de Bloomberg New Energy Finance.

En 2004, costaba alrededor de $ 3,20 por vatio, en promedio, fabricar paneles solares de silicio. A estas alturas, según los analistas de la industria solar de Photon Consulting en Boston, un fabricante chino puede fabricarlos por tan solo 1,28 dólares el vatio, mientras que el fabricante occidental de menor coste producirá tecnología comparable por unos 2 dólares el vatio. Esta ventaja de costos no solo ha hecho que los fabricantes chinos sean dominantes en la industria, sino que también ha ayudado a redefinir las perspectivas de la energía solar, acercándola a lo que los conocedores llaman paridad de red, el punto en el que es tan barata como la electricidad en la red eléctrica. la mayor parte se genera con combustibles fósiles. En unos cinco años, deberíamos ser capaces de alcanzar la paridad de red en al menos el 30 o el 50 por ciento del mercado global, dice Zhengrong Shi, fundador y director ejecutivo de Suntech, hablando desde su espaciosa oficina mirando hacia la parte trasera de la enorme empresa de su empresa. fachada solar.

Cara de solar: Una enorme fachada de paneles fotovoltaicos recibe a los visitantes en la sede de Suntech en Wuxi, China.

La estrategia de Suntech hasta ahora ha sido reducir el costo por vatio reduciendo el gasto de fabricación de paneles solares. Pero alcanzar la paridad de red también requerirá aumentar la eficiencia de los paneles para que cada uno produzca más vatios. Bajo el liderazgo de Shi, quien fue investigador solar antes de convertirse en empresario, la empresa ha desarrollado una nueva forma de fabricar paneles solares; Los módulos multicristalinos fabricados el año pasado batieron un récord de 15 años de eficiencia en la conversión de la luz solar en electricidad. Unos meses más tarde, Suntech volvió a aumentar la marca de eficiencia. Y el laboratorio de la empresa tiene prototipos que prometen resultados aún mejores. Si estos avances se concretan, finalmente podría despejar el camino para el sueño de Shi de una energía solar asequible.

Riquezas y harapos

De muchas formas, Shi refleja la complejidad de la China contemporánea. Aunque nació y creció a menos de 100 kilómetros de sus fábricas en Wuxi, comenzó su carrera en Australia, donde vivió durante una década y se convirtió en ciudadano antes de regresar a China en 2000 para aprovechar el boom económico del país. Tengo que conseguir una visa para trabajar en China, dice Shi con un toque de acento australiano, riendo. A pesar de su riqueza y posición ejecutiva, tiene el aire informal pero seguro de un investigador, vistiendo un simple abrigo deportivo y una camisa a rayas de cuello abierto. Pero su mirada relajada y sus modales australianos despreocupados contradicen su ambición y sus estrechas conexiones con su país natal. Varias copias de portadas de revistas que lo presentan como el Rey Sol ( Forbes Asia ) y el nuevo rey de la energía solar de China ( Fortuna ) se organizan cuidadosamente alrededor de su espaciosa oficina, entre menciones de academias nacionales y otros premios. Saludar a los visitantes en la entrada es una versión enorme del Ch'an Chu, el símbolo chino de la prosperidad: un sapo de piedra que sostiene una moneda del tamaño de un plato en la boca.

La figura, que también es símbolo de suerte, es apropiada. En 2005, cuando los precios del petróleo eran volátiles y muchos países, particularmente en Europa, estaban presionando para reducir las emisiones de dióxido de carbono, Shi hizo pública la Suntech en la Bolsa de Valores de Nueva York. En 2006 se convirtió en el séptimo hombre más rico de China, con un patrimonio neto de más de 1.400 millones de dólares, según Forbes . Pero el hombre que hizo posible Suntech casi no entró en la energía solar.

Los padres de Shi, agricultores rurales que quedaron desamparados por las hambrunas que asolaron China a principios de la década de 1960, se vieron obligados a entregarlo en adopción a un amigo cercano de la familia cuando era un niño pequeño. Se destacó en la escuela, y finalmente obtuvo una licenciatura en ciencias ópticas y una maestría en física láser. Shi postuló para estudiar en el extranjero, como hicieron muchos estudiantes talentosos en China a fines de la década de 1980. Fue aprobado, no para estudios en los Estados Unidos, como esperaba, sino en Australia. Sabiendo poco sobre el país, se basó en una sugerencia de uno de sus colegas de conocer a Martin Green, el director del Centro de Excelencia Fotovoltaica de la Universidad de Nueva Gales del Sur, quien era famoso por inventar un enfoque de las células solares de silicio que logró eficiencias récord. Solicitó un puesto de investigación remunerado, pero Green inmediatamente me rechazó, recuerda Shi. En cambio, Green lo convenció de que estudiara un doctorado. Completó la licenciatura en solo dos años y medio, y en 1995 comenzó a trabajar en Pacific Solar, una empresa emergente del laboratorio de Green que estaba comercializando un nuevo tipo de celda solar de película delgada.

En 2000, Shi era director ejecutivo de la startup, pero las noticias sobre el crecimiento de la industria solar en Europa y Japón lo impacientaron. Vi la oportunidad del auge solar, dice. Mientras tanto, la tecnología de Pacific Solar estaba tardando demasiado en comercializarse. La película delgada en esa etapa aún no estaba lista, dice Shi. También vio una oportunidad en China, donde los costos eran bajos y nadie entendía realmente la tecnología y la industria. Después de 10 años en el extranjero, regresó a China y presentó un plan de negocios a los políticos a cargo del nuevo distrito de Wuxi, un parque industrial de alta tecnología a una hora de donde había crecido. Su plan era fabricar paneles solares de silicio convencionales y hacerlo de forma económica. Los funcionarios del gobierno lo rechazaron, sugiriendo que incluso su enfoque conservador fue un paso antes, recuerda. Aunque los capitalistas de riesgo y las grandes empresas que ofrecen empresas conjuntas son comunes ahora en China, eran raros en ese momento. Así que Shi pasó los siguientes 10 meses haciendo conexiones y cortejando a políticos mientras él, su esposa y sus dos hijos pequeños vivían de sus ahorros. El verdadero desafío fue convencer a los funcionarios del gobierno local de que podía tener éxito en el negocio solar y no solo en el laboratorio solar, dice. Finalmente, le ofrecieron $ 6 millones, recaudados de las empresas estatales locales, para iniciar Suntech.

El fundador y director ejecutivo de Suntech, Zhengrong Shi, posa en una terraza fuera de su oficina, con la fachada al fondo.

Shi estuvo atento a todas las oportunidades para reducir costos. Compró equipo usado. Ayudó a una empresa japonesa a diseñar una nueva máquina a cambio de un descuento. Y donde pudo, encontró formas de reemplazar las máquinas con mano de obra más barata.

Los métodos de fabricación que utilizó Shi para que la empresa despegara todavía se pueden ver en la fábrica, a la que se puede acceder a través de puertas en la parte trasera del edificio de la sede. Los trabajadores, en lugar de los costosos robots utilizados en las fábricas solares en Japón y Occidente, transfieren obleas de silicio delgadas como una cáscara de huevo una por una en estantes que pueden soportar hornos en llamas donde las temperaturas alcanzan los 1.000 ° C. La operación podría automatizarse, pero la mano de obra humana cuesta menos y puede reducir las tasas de rotura. Las máquinas se utilizan donde valen la pena: en otra estación, se prueba la potencia de salida de las células terminadas con un destello de luz antes de que los brazos robóticos las coloquen en contenedores de acuerdo con el rendimiento. Un equipo humano clasifica esas células aún más, identificando finas gradaciones en el color azul profundo. (Toda esta clasificación se hace para asegurar la consistencia de las celdas que entran en un panel). En otro edificio, los trabajadores sueldan las celdas solares en tiras, luego las alinean a ojo en una caja de luz para formar las filas y columnas de celdas que conforman un panel solar completo. Para terminar los paneles, pares de trabajadores pegan los marcos a mano y los limpian con un trapo.

Bajo demanda

Cuando Shi fundó Suntech en 2001, su momento no podría haber sido mejor. La fabricación de energía solar en China era casi inexistente, por lo que tenía poca competencia interna. Al mismo tiempo, el mercado mundial comenzaba a crecer. Los incentivos de precios para la energía solar que el parlamento alemán autorizó en 2000 recién estaban entrando en vigencia (ver el experimento alemán) ; Después de que esos subsidios aumentaron en 2004, Alemania se convirtió en el mercado más grande del mundo para paneles solares y la mayor fuente de ingresos de Suntech.

Cuando otros gobiernos introdujeron sus propios incentivos para la instalación de fuentes de energía renovables, la demanda se disparó y los constructores comenzaron a arriesgarse con los paneles solares baratos que salían de China. En 2005 y 2006, no pude conseguir paneles solares, dice Barry Cinnamon, director ejecutivo de Akeena Solar, un instalador solar y uno de los primeros clientes de Suntech en California. La demanda fue mucho mayor que la oferta. Cualquier empresa, en cualquier parte del mundo, que pudiera fabricar un trozo de vidrio con cables que generaran electricidad cuando el sol lo golpeaba, podía vender tantas como quisieran. Suntech no solo pudo satisfacer su demanda, sino que también estaba dispuesta a satisfacer las solicitudes de Akeena. Lo interesante de Suntech fue que estaban dispuestos a construir un panel solar especialmente diseñado para nosotros, dice. Nadie más lo haría.

En los años posteriores a la fundación de Suntech por parte de Shi, la cantidad total de vatios producidos por la industria solar se duplicó aproximadamente cada dos años. Suntech se mantuvo por delante de la curva, duplicando su propia producción en promedio cada año hasta 2009, cuando la recesión ralentizó las cosas. Este año, es probable que su producción vuelva a crecer en un 100 por ciento; la empresa empleará a 12.000 trabajadores. El gobierno recientemente hizo elegible a Suntech para $ 7.3 mil millones en préstamos a través del Banco de Desarrollo de China para financiar aún más expansión.

Progreso de China
Fuente: Photon Consulting
* Para los fabricantes de menor costo en cada país

Mientras tanto, se han fundado cientos de otras empresas de energía solar en China y varias se han convertido en importantes proveedores en todo el mundo. Yingli Green Energy, con sede cerca de Beijing, tiene una participación aún mayor en el mercado de California que Suntech, aunque produce menos paneles en general. También tiene costos aún más bajos. Otros, como JA Solar, Trina Solar y China Sunergy, están ganando rápidamente reconocimiento de marca en todo el mundo. Gran parte de la industria se remonta a Green y su laboratorio en Nueva Gales del Sur; sus antiguos alumnos son líderes clave en empresas que juntas producen el 60 por ciento de los paneles solares fabricados en China. Pero si Green proporcionó gran parte de la capacitación técnica, le da crédito a Shi con la habilidad empresarial para ayudar a crear la industria en auge de la nación. Los exalumnos han tenido un gran impacto en China, dice. Pero, agrega, le daría todo el crédito a Zhengrong Shi por abrir el camino que los demás han seguido.

Trucos verdes

Cuando fundó Suntech, Shi sabía que era posible fabricar células solares casi dos veces más potentes que las que salían de la línea de su primera fábrica. Green los había estado haciendo durante años en su laboratorio. Si altera las propiedades electrónicas de las obleas de silicio de la más alta calidad en patrones precisos y luego traza contactos eléctricos extremadamente finos en sus superficies frontal y posterior para extraer la corriente electrónica, las celdas resultantes capturan mucha más de esa corriente que las celdas convencionales. El único problema es que los métodos de Green se basan en tecnología de procesamiento avanzada y costosa tomada de la industria de los semiconductores. Fabricar las células cuesta aproximadamente 100 veces más que las células solares convencionales como las que Suntech ha estado produciendo hasta ahora.

La Universidad de Nueva Gales del Sur había intentado sin éxito comercializar la tecnología durante 20 años, pero Shi estaba decidido a encontrar la manera. La clave fue identificar métodos de bajo costo para lograr los mismos efectos con silicio de grado comercial fácilmente disponible. Al señalar sus 45 patentes y 65 patentes pendientes, Suntech afirma que ahora ha tenido éxito, pero guarda los detalles en secreto. Solo tres empleados han visto todo el proceso de fabricación de sus nuevos productos. Sabemos que cualquiera que haya visto la línea completa será el objetivo de otras empresas con mucho, mucho entusiasmo, dice Stuart Wenham, director de tecnología de Suntech. Wenham, un colega de Green en Nueva Gales del Sur y de Shi en Pacific Solar, fue contratado a Suntech en 2005 para producir las células avanzadas. El Dr. Shi estaba tan decidido a mantener la confidencialidad de todo esto que compró su propia empresa de equipos para fabricar el equipo para esta tecnología, dice.

El proceso implica reemplazar un paso clave en la fabricación de células solares convencionales: la serigrafía. Para extraer la corriente eléctrica de una celda, los fabricantes imprimen líneas de pasta de plata en su superficie frontal. Cuanto más cerca estén estos electrones

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Progreso de China
Fuente: Photon Consulting
* Para los fabricantes de menor costo en cada país

Las líneas conductoras son, más eficientemente recolectarán la carga del silicio. Sin embargo, si una gran parte de la superficie de la celda está sombreada por las líneas, la celda no puede absorber suficiente luz. Cuanto más delgadas son las líneas, más cerca se pueden acercar sin causar este problema, pero el proceso de impresión no puede hacerlas más delgadas que unos 120 micrómetros.

Los investigadores de Suntech desarrollaron una forma de tratar químicamente la oblea de silicio en bandas estrechas. Estas áreas tratadas atraen la plata, que forma líneas metálicas de solo 20 micrómetros de ancho. Además de dar como resultado líneas más delgadas, el proceso permite ahorrar costos de material mediante el uso de obleas de silicio tan delgadas que el equipo de serigrafía podría romperlas al estampar las líneas en su superficie. También reemplaza un tratamiento utilizado en la fabricación convencional que reduce la eficiencia de las células al dañar la superficie del silicio. Los mejores módulos fabricados con la nueva tecnología convierten alrededor del 18 por ciento de la energía de la luz en electricidad, en comparación con el 13 por ciento de los paneles solares originales de la empresa. El próximo año, Suntech tiene la intención de implementar una versión más nueva de la tecnología, que según las pruebas preliminares mejorará la eficiencia en uno o dos puntos porcentuales más. La mejora puede parecer modesta, pero el aumento de la eficiencia tiene un gran impacto en el costo de la electricidad resultante. Como regla general, una mejora de un punto porcentual en la eficiencia puede reducir los costos en más del 6 por ciento.

Suntech también está financiando colaboraciones con universidades, incluidas New South Wales y Swinburne University of Technology en Melbourne, para desarrollar células solares que superen una limitación fundamental de la energía fotovoltaica actual: no pueden absorber todas las longitudes de onda de la luz solar y no pueden. convertir toda la energía en muchas de esas longitudes de onda en carga electrónica. Una inversión clave es la plasmónica, que aprovecha el hecho de que las partículas de metal depositadas en la superficie de una célula pueden guiar la energía de la luz para que rebote hacia adelante y hacia atrás dentro de la célula en lugar de reflejarse hacia afuera. La explotación de este efecto podría permitir a los investigadores reducir la cantidad de material semiconductor activo en una célula solar en órdenes de magnitud, o incluso hacer células con materiales mucho más baratos que el silicio cristalino purificado. (ver Energía fotovoltaica que atrapa la luz, Mayo / junio de 2010). Esos conceptos probablemente no encontrarán su camino en los productos comerciales en los próximos 10 a 20 años, dice Wenham. Pero eventualmente lo harán.

Al borde

A pesar del rápido crecimiento de Suntech y la industria solar en todo el mundo, la energía solar sigue contribuyendo con una pequeña parte de la electricidad total producida cada año. En los Estados Unidos, está ligeramente por encima del 0,1 por ciento. Es un error de redondeo, dice Nathaniel Bullard, analista de Bloomberg New Energy Finance.

Es difícil proyectar el rumbo de la industria todavía pequeña. Por un lado, todas las predicciones de cuándo la energía solar podría alcanzar la paridad de la red están plagadas de incertidumbres, dice Bullard. Para tomar solo un ejemplo, considere que hoy en día los propios paneles solares representan menos de la mitad del costo total de la tecnología. Los costos de instalación, equipos adicionales como inversores, ventas y marketing por parte de los instaladores y, lo que es más importante, la financiación también deberán reducirse. Es más, cuando se trata de paridad de red, el precio que cobran los fabricantes de energía fotovoltaica por sus productos es en realidad más significativo que el dinero que cuesta fabricarlos, y eso dependerá del mercado. Si la demanda de energía fotovoltaica sigue siendo alta, en parte porque los incentivos gubernamentales en Alemania y en otros lugares la respaldan, los paneles solares podrían seguir siendo lo suficientemente caros como para mantener el precio de la energía solar muy por encima del precio de la electricidad de la red.

Tampoco está claro todavía qué tecnología es la más adecuada para el uso generalizado de la energía solar. Dentro de diez años, es posible que los paneles solares que compra la mayoría de la gente ni siquiera estén hechos de silicio. Cambiar sería difícil para Suntech. Si bien tiene la experiencia para cambiar de dirección, sus bajos costos de fabricación dependen de inversiones en equipos y acuerdos con proveedores de silicio. Mientras tanto, las empresas rivales tienen una ventaja en las tecnologías que utilizan otros materiales. First Solar, con sede en Tempe, AZ, fabrica células solares de película delgada hechas de cadmio y telurio por incluso menos por vatio que las empresas chinas que fabrican células de silicio. Es cierto que la tecnología de First Solar convierte solo alrededor del 11 por ciento de la luz solar en electricidad; esa eficiencia relativamente baja se traduce en costos de instalación más altos y limita las aplicaciones para las que es bueno. Aún así, la energía solar de película delgada representa una participación cada vez mayor del mercado general, del 3 por ciento en 2003 a más del 15 por ciento en la actualidad.

Sin embargo, a pesar de toda esta incertidumbre, Shi sigue convencido de que la energía solar basada en silicio está a punto de volverse competitiva sin los subsidios gubernamentales. La idea de que la energía solar tendrá que esperar un gran avance para alcanzar la paridad de la red es una mierda, dice. Agrega: No estamos hablando de ciencia espacial. Estamos hablando de ingeniería básica.

Kevin Bullis es Revisión de tecnología Editor de energía.

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