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¿Puede Japón recuperar su energía solar?
La forma en que la Tierra del Sol Naciente construyó y perdió su dominio en la energía fotovoltaica muestra cuán vulnerables siguen siendo las energías renovables ante los cambios políticos y las políticas nacionales. 18 de diciembre de 2014
Hace 38 °C en la península de Atsumi, al suroeste de Tokio: una ola de calor mortal se ha apoderado de gran parte de Japón a finales de este verano. Dentro de las oficinas de una planta de energía recién construida operada por la compañía de plásticos Mitsui Chemicals, el aire acondicionado está a todo volumen. Afuera, 215,000 paneles solares están convirtiendo la abrasadora luz del sol en 50 megavatios de electricidad para la red local. Tres turbinas eólicas de 118 metros de altura erigidas en el sitio agregan seis megavatios de capacidad de generación para respaldar los paneles solares durante el invierno.
La planta de Mitsui es solo una de las miles de instalaciones de energía renovable en marcha mientras Japón enfrenta su tercer verano consecutivo sin el uso de los reactores nucleares que habían generado casi el 30 por ciento de su electricidad. En Japón, la gente se refiere al terremoto y desastre nuclear en la planta de energía nuclear Fukushima Daiichi de Tokyo Electric Power Company el 11 de marzo de 2011, como Three-Eleven. La contaminación radiactiva obligó a evacuar a más de 100.000 personas y aterrorizó a millones más. También envió una onda de choque al ya frágil sector manufacturero de Japón, que es el segundo mayor empleador del país y representa el 18 por ciento de su economía.
Esta historia fue parte de nuestra edición de enero de 2015
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Once de los 54 reactores nucleares de Japón cerraron el día del terremoto. Un año después, todos los reactores de Japón estaban fuera de servicio; cada uno tuvo que actualizarse para cumplir con los estándares de seguridad más elevados y luego hacer cola para las inspecciones. Durante mi visita este verano, Japón todavía no tenía energía nuclear, y solo la conservación agresiva de energía mantuvo las luces encendidas. Mientras tanto, el país usaba tantos combustibles fósiles importados que los precios de la electricidad subieron un 20 por ciento para los hogares y un 30 por ciento para las empresas, según el Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón (METI).
El llamado Arca Solar de Sanyo Electric, construido en 2001 durante el apogeo del auge solar inicial del país, fue diseñado para generar 630 kilovatios de energía, lo que lo convierte en una de las instalaciones solares más grandes del mundo. Cuenta con 5.046 paneles solares.
Sin embargo, la crisis energética posterior a Fukushima ha alimentado las esperanzas para la industria de energía renovable del país, en particular sus negocios solares. Como uno de sus últimos movimientos antes de dejar el cargo en el verano de 2011, el primer ministro Naoto Kan estableció tarifas de alimentación potencialmente lucrativas para estimular la instalación de energía solar, eólica y otras formas de energía renovable. Las tarifas de alimentación establecen una tarifa superior a la que las empresas de servicios públicos deben comprar la energía generada a partir de dichas fuentes.
El incentivo del gobierno es lo que motivó a Mitsui a finalmente hacer uso de la tierra comprada originalmente para una fábrica de plásticos para automóviles que nunca se construyó porque los fabricantes de automóviles trasladaron sus operaciones de fabricación al extranjero. El sitio estuvo inactivo durante 21 años antes de que Mitsui reuniera un consorcio para ayudar a financiar una inversión de $180 millones en paneles solares y turbinas eólicas. Actuando rápido, Mitsui y sus seis socios calificaron para las tarifas de alimentación de 2012 que prometían instalaciones solares a escala industrial de 40 yenes (35 centavos) por kilovatio-hora generado durante 20 años. A ese precio, dice Shin Fukuda, el exingeniero nuclear que dirige el negocio de energía y medio ambiente de Mitsui, el consorcio debería recuperar su inversión en 10 años y obtener ganancias sustanciales de la instalación renovable durante al menos otra década.
De la noche a la mañana, Japón se ha convertido en el mercado solar más popular del mundo: en menos de dos años después de que Fukushima se derritiera, el país duplicó con creces su capacidad de generación solar. Según METI, los desarrolladores instalaron casi 10 gigavatios de capacidad de generación renovable hasta fines de abril de 2014, incluidos 9,6 gigavatios de energía fotovoltaica. (Los reactores nucleares de Fukushima Daiichi tenían una capacidad de 4,7 gigavatios; en general, el país tiene alrededor de 290 gigavatios de capacidad instalada de generación de electricidad). Tres cuartas partes de la nueva capacidad solar se encontraban en instalaciones a gran escala como la de Mitsui.
Sin embargo, esta explosión de capacidad solar marca un triunfo agridulce para los fabricantes de paneles solares de Japón, que lideraron el diseño de la energía fotovoltaica en la década de 1980 y lanzaron la industria solar global en la década de 1990. Amargo porque la mayoría de los millones de paneles que se están instalando son importaciones hechas fuera del país. Incluso algunos fabricantes japoneses, incluido Sharp, uno de los primeros líderes del mercado, han optado por comprar paneles producidos en el extranjero y venderlos en Japón.
Cómo Japón, que alguna vez fue el productor de semiconductores más avanzado del mundo y pionero en el uso de esa tecnología para fabricar células fotovoltaicas, regaló su industria solar es una historia de inseguridad nacional, poder de monopolio y política impulsada por el dinero. También es una historia con lecciones importantes para aquellos que creen que la fuerza de las tecnologías renovables brindará incentivos suficientes para que los países transformen sus hábitos energéticos.
En Japón, durante la mayor parte de la década de 2000, se ignoraron los impresionantes avances en energía fotovoltaica porque las poderosas empresas de servicios públicos del país ejercieron su fuerza política para favorecer la energía nuclear. Y a pesar del resurgimiento de la demanda de energía solar por parte de los consumidores y el fuerte desdén público por la energía nuclear, lo mismo podría volver a suceder. ¿Aprovechará un país con pocos recursos de combustibles fósiles y recuerdos sombríos del desastre de Fukushima su experiencia técnica para recuperar su posición como productor líder de energía fotovoltaica, o se alejará de las energías renovables una vez más?
Rico
Más largo que tres campos de fútbol y con más de 37 metros de altura, el Arca Solar es claramente visible desde el Tokkaido Shinkansen cuando el tren bala cruza el centro de Japón. La estructura, cubierta con paneles fotovoltaicos, parece un templo de energía de otra época, una época en la que Japón era dueño de la industria de la energía solar. Sanyo erigió el Arca en 2001, colocando en él 5.046 paneles solares capaces de generar 630 kilovatios de electricidad libre de contaminación.
La era que dio lugar a esta hazaña comenzó con la crisis energética de la década de 1970, cuando los precios mundiales del petróleo se dispararon y golpearon la economía manufacturera de Japón impulsada por las exportaciones. El país aprovechó su dominio en la producción de chips semiconductores electrónicos para buscar alternativas de energía fotovoltaica más limpia y segura. Y a diferencia de otros países, como Estados Unidos, mantuvo los programas de desarrollo solar resultantes incluso cuando los precios del petróleo cayeron en la década de 1980. Entre 1985 y 2007, los investigadores japoneses solicitaron más del doble de patentes en tecnologías solares que los inventores rivales estadounidenses y europeos combinados. Empresas como Sharp, Sanyo Electric, Panasonic y Kyocera se convirtieron en los líderes indiscutibles en tecnología solar. Los productores japoneses comenzaron a aumentar las ventas y las instalaciones solares en la década de 1990. Para 2001, la producción total de energía solar en Japón era 500 veces mayor que la década anterior, una década en la que la generación solar de EE. UU. aumentó apenas un 15 por ciento.
Una imagen de la televisión japonesa capta el humo que se eleva después de una explosión de hidrógeno en la unidad 3 de Fukushima Daiichi el 14 de marzo de 2011, días después del terremoto inicial. Tras el desastre de Fukushima, todos los reactores nucleares del país fueron cerrados.
Luego, todo se derrumbó hace una década cuando el país apostó su futuro por la energía nuclear.
Los planes nucleares del gobierno eran ambiciosos: para cuando Fukushima Daiichi se derritiera, requerirían 14 reactores adicionales para 2030, lo que casi habría duplicado la generación nuclear para representar el 50 por ciento del suministro de energía de Japón. Mientras tanto, las ventas fotovoltaicas en Japón disminuyeron a mediados de la década de 2000 y, para 2007, los productores japoneses habían cedido el liderazgo del mercado mundial a los fabricantes estadounidenses, chinos y europeos. En solo unos años, el país había pasado de ser líder de la industria a serlo.
Lo que alejó a Japón del sol fue una mezcla perniciosa de percepción, cultura y política. La energía nuclear tenía un aura de fuerza, mientras que la energía basada en fuentes de energía renovables intermitentes parecía débil y poco confiable, una impresión alentada por las poderosas empresas de servicios públicos del país. Aunque Japón tiene numerosos lugares que son ideales para la energía eólica y solar, las compañías eléctricas convencieron al público de que las opciones energéticas eran limitadas. Estamos muy convencidos de que nos faltan recursos y que Japón tiene que depender del combustible importado, dice Mika Ohbayashi, directora de la Fundación de Energía Renovable de Japón, con sede en Tokio.
Lo que alejó a Japón del sol fue una mezcla perniciosa de percepción, cultura y política.
La opinión de las empresas de servicios públicos estaba teñida de interés propio. Las 10 empresas de servicios públicos de Japón eran (y siguen siendo) monopolios verticales. Cada uno controla la generación, transmisión y distribución de energía en su región respectiva, y sus redes están diseñadas para entregar electricidad desde plantas de energía centralizadas, incluidos los grandes reactores nucleares. Carecen, por diseño, de las interconexiones que facilitan el uso seguro de la generación de energía variable. En la mayoría de los países industrializados, los gobiernos han desmantelado los monopolios en los mercados de energía, liberando a los operadores de las redes de transmisión para que construyan esas interconexiones, pero las empresas de servicios públicos de Japón se han resistido a la tendencia de desregulación. El problema de interconexión se complica aún más por un artefacto: dos frecuencias de CA que dividen el sistema eléctrico del país por la mitad. El este de Japón opera a 50 hercios, mientras que el oeste de Japón utiliza energía de 60 hercios, una barrera que resultó paralizante en 2011, inmediatamente después del desastre de Fukushima, cuando Tokio, repentinamente con poca potencia, podía acceder a poco del excedente de energía de Osaka.
Cuando se le preguntó por qué Japón eligió no impulsar la energía solar agresivamente cuando dominaba la industria global, el ex primer ministro Kan me dijo que culpa directamente a las empresas de servicios públicos del país: la razón es muy clara. Las empresas de energía eléctrica, la gente que quería promover la energía nuclear, se opusieron.
Renacimiento
En una subdivisión que se extiende sobre terrenos ganados al mar en la bahía de Ashiya, una ciudad entre Osaka y Kobe, está tomando forma un desarrollo residencial de 400 unidades llamado Smart City Shio-Ashiya (Salty-Ashiya), una creación de PanaHome, subsidiaria de Panasonic. Un domingo de julio, los paneles solares en la parte superior de cada una de las 50 casas construidas hasta la fecha están bombeando el excedente de energía a la red local, y los vendedores de PanaHome están vendiendo a una pareja con niños pequeños sobre los beneficios energéticos y la resistencia a los terremotos de las casas.
Las casas de dos pisos de Shio-Ashiya incluyen calefacción y refrigeración geotérmica y otras características de diseño ecológico para minimizar el consumo de energía, mientras que los paneles solares de techo de alta eficiencia maximizan la generación de energía. El excedente de energía debería, según la vendedora de PanaHome Saho Watanabe, generar ingresos para los residentes de aproximadamente 100.000 yenes (USD 825) cada año. Watanabe promociona otra característica, que debería ser invaluable cuando la red falla, por ejemplo, en un terremoto o tifón. Abre un armario en el comedor de una casa modelo para revelar una batería de litio que, trabajando con un sistema de administración de energía cerca de la cocina, puede hacer funcionar las bombas de calor/aire acondicionado de la familia, la iluminación del primer piso y el refrigerador durante aproximadamente dos días.
Las esperanzas solares de Panasonic se basan en una tecnología inventada por investigadores de Sanyo en la década de 1990 y adquirida por Panasonic hace cuatro años cuando las corporaciones se fusionaron. Las células solares combinan tecnologías convencionales de silicio cristalino y silicio amorfo de película delgada para lograr una eficiencia relativamente alta en la conversión de la luz solar en electricidad. Llamada HIT, por heterounión con capa delgada intrínseca, la tecnología híbrida se ha convertido en un pilar de la estrategia solar de la compañía.
Shingo Okamoto, un científico de materiales que pasó su carrera en Sanyo Electric antes de convertirse en director de I+D solar para el grupo empresarial EcoSolutions de Panasonic, dice que los paneles están obteniendo precios superiores en las ventas nacionales porque producen mucha más electricidad desde un techo determinado que los paneles policristalinos más baratos. que dominan el mercado. Asumiendo que cada hogar consume electricidad al promedio japonés de 1400 kilovatios-hora por año durante el día, dice, un hogar con el sistema de Panasonic tendrá un 52 por ciento más de energía excedente para volver a la red que un hogar con un sistema solar común. .
La energía residencial en Japón es costosa: a 24,33 yenes (20 centavos) por kilovatio-hora en 2013, era casi el doble del promedio de EE. UU. Y dado que los precios de la electricidad seguramente seguirán subiendo, dice Okamoto, los sistemas fotovoltaicos de techo más eficientes tendrán una gran ventaja. Cuando nos reunimos en julio en la planta Shiga de Panasonic, al este de Kioto, la planta acababa de comenzar a enviar su diseño de panel más nuevo y potente. Los avances detrás del panel, que utiliza celdas con una eficiencia del 22,5 por ciento, incluyen una película que dispersa la luz en la parte posterior para mejorar la absorción de la luz. Las líneas de montaje funcionaban las 24 horas del día para satisfacer la demanda interna.
Se están preparando más avances. En abril, el grupo de Okamoto produjo una celda solar de silicio que alcanzó una eficiencia del 25,6 por ciento, rompiendo un récord mundial de 25,0 por ciento de hace 15 años. Aunque el récord se estableció en el laboratorio utilizando un dispositivo prototipo, Okamoto predice que, en última instancia, el grupo podrá producir células comerciales cuya eficiencia esté dentro de unos pocos puntos porcentuales del límite teórico del silicio cristalino, el 29 por ciento.
Repotenciación
Al otro lado de las montañas costeras de los reactores destrozados en Fukushima Daiichi y el paisaje contaminado que crearon, se está preparando una de las instalaciones más avanzadas del mundo dedicadas a la I + D de energía renovable. El complejo de $ 100 millones se inauguró en abril en Koriyama, el centro comercial de la prefectura de Fukushima, y reúne investigaciones previamente dispares de las agencias de ciencia y tecnología de Japón. El instituto no está aquí por accidente. Es un compromiso explícito con la región emocional y económicamente devastada.
La frondosa prefectura al norte de Tokio sigue despoblada tras el terremoto, el tsunami y los derrumbes de marzo de 2011. Muchos de los más de 100.000 residentes que quedaron sin hogar a causa de los desastres nunca regresarán. Reemplazar a los residentes y negocios perdidos en un área conocida por la contaminación radiactiva no es fácil. Los monitores de radiactividad alimentados con energía solar en Koriyama muestran que el aire es seguro, pero 100 kilómetros al este, la Compañía de Energía Eléctrica de Tokio (TEPCO) todavía lucha para evitar que la contaminación contamine las aguas subterráneas y el mar.
Las instalaciones de I+D de Koriyama cuentan con laboratorios de última generación para cristalizar, rebanar y modelar obleas de silicio, y su línea de producción puede producir hasta 360 obleas por hora. En el exterior, se están probando una variedad de energía fotovoltaica, junto con una turbina eólica de tamaño modesto y una gran batería conectada a la red. Su programa más ambicioso está dirigido por Makoto Konagai, uno de los científicos solares más célebres de Japón, que se mudó a Koriyama desde el Instituto de Tecnología de Tokio. Su objetivo es superar el límite teórico de eficiencia de las celdas de silicio, demostrando tasas del 30 por ciento para 2016 y hasta el 40 por ciento para 2021. Es un plan ambicioso, pero tres grandes fabricantes, incluido Panasonic, se han apuntado.
Mientras que otros investigadores buscan alternativas más eficientes al silicio, que representa el 90 por ciento de la producción solar actual, Konagai busca rediseñar la celda de silicio de arriba a abajo. Uno de sus equipos, por ejemplo, está desarrollando un método de fundición para producir lingotes de silicio de mayor calidad. Otro equipo está repensando la forma en que se modelan las estructuras de semiconductores para convertir las obleas de silicio en células: el plan de Konagai es grabar o construir estructuras verticales de unos pocos nanómetros de ancho, casi 100 000 veces más estrechas que la propia oblea de silicio. Si sus simulaciones son buenas, los nanocables o nanoparedes resultantes alterarán el comportamiento eléctrico del silicio interno, aumentando su potencial para absorber luz y acumular carga eléctrica.
En junio de 2011, el gobernador anteriormente pronuclear de Fukushima, Yuhei Sato, declaró que Fukushima debería basar su futuro en las energías renovables. Activistas comunitarios iniciaron docenas de proyectos en toda la prefectura y en 2012 se fijó el objetivo de aumentar la energía renovable del 22 % al 100 % de su suministro eléctrico para 2040.
Los trabajadores vieron en octubre cómo una grúa levantaba una sección de una cubierta de radiación que se había colocado sobre un reactor en Fukushima después del terremoto. Levantar la cubierta expuso los escombros dentro del edificio destruido por primera vez desde 2011.
La fría realidad de la situación energética de Japón, sin embargo, es que es probable que tales ambiciones audaces se queden cortas. No es probable que el tipo de expansión solar que se puede esperar solo de las tarifas de alimentación cumpla con los objetivos de la prefectura, o incluso que reemplace la energía que una vez entregó la flota nuclear de Japón. Y las fuerzas políticas y económicas no parecen favorecer políticas que expandirían las energías renovables de manera más dramática.
Las proyecciones de la Asociación de Energía Fotovoltaica de Japón, un grupo comercial con sede en Tokio, sugieren que las instalaciones solares anuales alcanzarán su punto máximo este año apenas por debajo de los siete gigavatios. El grupo predice que la capacidad solar total instalada en Japón alcanzará los 102 gigavatios para 2030, lo que sería suficiente para satisfacer solo una pequeña fracción de las necesidades de electricidad del país. Un despliegue moderado de energía eólica proporcionaría algo de electricidad adicional. Pero Japón necesita mucho más. Si bien los consumidores y la industria japoneses han reducido la demanda de energía desde 2011, las empresas de servicios públicos cubrieron la mayor parte del déficit nuclear aumentando la combustión de gas natural, petróleo y carbón importados. Los combustibles fósiles representaron alrededor del 89 por ciento de la generación de electricidad de Japón en 2012. Como resultado, sus emisiones totales de gases de efecto invernadero fueron un 7 por ciento más altas ese año que en 2010.
Las perspectivas para la energía renovable podrían empeorar. Para protegerse contra la posibilidad de que no puedan reiniciar los reactores nucleares, las empresas de servicios públicos están construyendo una nueva generación de centrales eléctricas de carbón. Según el recuento de Ohbayashi, ahora se están desarrollando unos 13 gigavatios de nueva generación de energía a carbón.
Mientras tanto, el costo relativamente alto de la energía solar de Japón amenaza con provocar una reacción violenta contra las energías renovables, alentada por las empresas de servicios públicos pronucleares. No hay duda de que con la fotovoltaica actual, la generación de energía es costosa, dice Okamoto, expresando su punto de vista personal en lugar del de Panasonic. Él teme las reacciones negativas de los contribuyentes, cuyas crecientes facturas de energía pagan las tarifas que financian los sistemas fotovoltaicos en los techos y en plantas de energía como la de Mitsui Chemicals: si continuamos expandiendo nuestro negocio con el nivel actual de costos, es posible que tengamos objeciones.
Además, las viejas políticas que favorecen la energía nuclear parecen estar regresando. Aunque las encuestas de opinión muestran constantemente que la mayoría de los japoneses se oponen a reiniciar los reactores inactivos de las empresas de servicios públicos, el primer ministro Shinzo Abe promete reiniciar aquellos que la Autoridad de Regulación Nuclear de Japón considere seguros. En julio, la agencia emitió la primera certificación de este tipo para un par de reactores en la isla sureña de Kyushu, a pesar de que los centros de control de emergencia fuera del sitio ordenados después de Fukushima aún no se han completado y los reactores están peligrosamente cerca de un volcán activo. Las píldoras de yodo se distribuyeron rápidamente a los vecinos de los reactores, y se espera que el reinicio sienta un precedente pronto, luego de obtener la luz verde del gobernador local y la ciudad anfitriona de la planta, Satsumasendai, cuya economía está paralizada sin empleos, dólares de impuestos y negocio que ofrece la planta.
Al mismo tiempo, las empresas de servicios públicos están retrasando las conexiones a la red para desarrollos renovables o imponiendo tarifas de actualización de la red que hacen que los proyectos renovables sean inviables. El retroceso está golpeando más fuerte a la energía eólica. El exiguo mercado de turbinas eólicas de Japón ha ralentizado desde Fukushima.
Este verano, METI lanzó un comité para gestionar la implementación de nuevas políticas energéticas. Un tema: los esfuerzos recientes de las empresas de servicios públicos y el gobierno para restringir más instalaciones solares. Ohbayashi dice que METI está dando marcha atrás porque juzgó mal el potencial comercial de las energías renovables y su impacto potencial en las empresas de servicios públicos. Dice Ohbayashi: No previeron el crecimiento explosivo de la energía fotovoltaica.
El gobierno japonés tiene planes para reformar radicalmente el mercado mayorista balcanizado y la red eléctrica del país, preparándose para un futuro en el que los productores compiten por el derecho a suministrar energía. En ese escenario, la energía renovable podría prosperar.
Sin embargo, aún faltan años para el paso más crítico: obligar a las empresas de servicios públicos integradas verticalmente a separar sus negocios de generación y transmisión de energía. La desagregación es esencial para crear un campo de juego nivelado para los productores y un sistema optimizado para entregar la energía más barata y limpia disponible en tiempo real.
La reingeniería de la red para acomodar flujos masivos de energías renovables como la eólica y la solar es una ruta potencialmente costosa para Japón. Sin embargo, no es necesariamente más costoso que el camino de regreso a la energía nuclear que están trazando el gobierno actual y las empresas de servicios públicos. Teniendo en cuenta el costo del seguro contra accidentes y las actualizaciones para prevenirlos, se podría duplicar el costo de la energía nuclear.
Como me dijo el ex primer ministro Naoto Kan, el desastre de Fukushima Daiichi ha alterado para siempre la economía de la energía nuclear. En el pasado, se decía que la energía nuclear podía suministrar energía a un costo muy bajo, pero ahora sabemos que eso no es correcto, dijo. Ese cálculo asumió que no podrían ocurrir accidentes. Ahora sabemos que pueden.
Peter Fairley es editor colaborador de Revisión de tecnología del MIT.