En este artículo muestro un breve mix de ciencia (obtención del silicio), geopolítica (hegemonía de China) y economía (evolución de costes de la energía solar fotovoltaica)
Ciclo de obtención de un módulo fotovoltaico a partir de su materia prima: el silicio. Aquí me detengo en la obtención del silicio
La industria de producción de energía solar fotovoltaica debe su éxito, entre otras razones, a la obtención de silicio de alta pureza y a la fabricación de paneles solares a unos precios extraordinariamente competitivos. Aquí lo detallo.
1. Ciencia: obtención del silicio
La materia prima de la industria fotovoltaica es arena rica en cuarzo, una forma cristalina del óxido de silicio. Las fábricas de silicio la calientan a 1.900°C en hornos de arco eléctrico con algo de carbono, en forma de coque. El oxígeno de la arena reacciona con el carbono para crear óxido de carbono, dejando «polisilicio» fundido. Este paso necesita mucha energía para su realización
SiO2 + C → Si + CO2
A continuación se enfría, se tritura y se hace reaccionar con ácido clorhídrico para producir un líquido volátil llamado triclorosilano, que se destila repetidamente para eliminar todo rastro de impureza.
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl
Las fábricas más avanzadas purifican eses silicio denominado de «grado metalúrgico», hasta alcanzar una pureza de «10 nueves», lo que significa que el polisilicio que obtienen tiene una pureza del 99,99999999%. Ese silicio se denomina de «pureza electrónica».
Diagrama de flujo del proceso de producción de silicio de grado de pureza electrónico
Hasta principios de este siglo, el silicio de pureza electrónica era el dominador absoluto del mercado, que lo adquirían las industrias que fabrican chips. La industria de las células solares vivía de las «sobras». Pero mediados de la década de 2000, las subvenciones gubernamentales de gran número de países (entre ellos el nuestro) con objeto de fomentar las energías renovables, hicieron que la demanda de energía fotovoltaica aumentara la demanda de silicio purificado más de lo que la industria de los chips podía prescindir. Al subir el precio del silicio, buen número de empresas de Asia empezaron a hacer grandes inversiones para construir fábricas de obtención y purificación de silicio destinadas a abastecer a la industria fotovoltaica.
2. Geopolítica: China, primer productor mundial de silicio fotovoltaico
China tomó rápidamente la delantera, y la mantuvo. En 2023, las empresas chinas fabricaron el 93% de todo el silicio mundial destinado a células solares. Algunas de estas industrias son fabricantes integrales y también fabrican las células solares. Otras venden el silicio convenientemente purificado a otras empresas que se encargan de cortarlo en obleas y pulirlo para fabricar las células solares.
Los fabricantes del silicio se benefician del hecho de que son actores clave en la estrategia industrial de China. Ha habido algunas quiebras, pero el gobierno chino ha concedido préstamos a muchas empresas sobre endeudadas. Los dos mayores productores de silicio de China, GCL-Poly y Tongwei, tenían cada una en 2023 la capacidad de producción de 370.000 toneladas, más que suficiente para satisfacer la demanda mundial. Tongwei está invirtiendo unos 4.000 millones de dólares en una nueva planta que, con el tiempo, podrá producir 400.000 toneladas al año. China tiene en proyecto instalaciones capaces de producir 7 millones de toneladas al año, suficientes para fabricar 3.5 TW anuales de paneles solares.
En términos de la cantidad de silicio que tales fábricas requerirían, esas cantidades son enormes. Pero conviene señalar que, en comparación con las necesidades de material de otras tecnologías energéticas, son ínfimas. Por ejemplo, la producción de carbón necesita unos 8.000 millones de toneladas al año; si a esto le añadimos el petróleo y el gas, la cifra se duplica.
La industria china es también ferozmente competitiva en el sentido en que sólo pueden serlo las empresas que fabrican más o menos lo mismo, pero eso no deja de ser un inconveniente. Esto se debe a que las células solares son productos estandarizados que se fabrican siguiendo pasos muy similares de un fabricante a otro. Por lo tanto, los fabricantes compiten ferozmente tratando de abaratar costes, ya sea fabricando células que producen fraccionalmente más electricidad para un nivel de iluminación determinado o que cuestan menos. Pero el «menos», en este caso, es ínfimo.
La energía solar fotovoltaica no sólo genera una competencia incesante en el lado de la oferta. También genera una demanda increíblemente diversa gracias a la que tal vez sea la mayor ventaja de la tecnología: su modularidad. Lo revolucionario de la energía solar es que se dirige a todo tipo de clientes. Desde el ciudadano que compra un cargador de 2 euros para su teléfono móvil hasta la empresa que desarrolla centrales fotovoltaicas de 1 GW, todos los que usan energía solar compran básicamente el mismo producto. No hay ninguna otra tecnología de generación de energía en la que se instale una unidad o un millón de unidades del mismo producto, dependiendo de la aplicación. No es imaginable un ciudadano instalando una central nuclear en el tejado de su casa para su autoconsumo de energía eléctrica.
3. Economía: la asombrosa reducción de precios de los paneles solares
La clave de cómo crece esta demanda hay que buscarla en la «curva de aprendizaje» del sector. Desde mediados de la década de 1970 hasta principios de la de 2020, la potencia instalada acumulada de energía fotovoltaica se multiplicó por un millón. En ese intervalo de tiempo, los precios se redujeron 500 veces (de ~100 €/W en 1970 a 0.2 €/W en 2020). Eso representa una disminución del 21% de los costes cada vez que se duplicó la capacidad instalada, lo que significa una reducción a la mitad de los costes cada vez que la capacidad instalada aumenta un 360%.
Curva de aprendizaje de la tecnología fotovoltaica. A medida que aumenta la capacidad instalada acumulada, el precio de la energía solar disminuye exponencialmente. Durante más de cuatro décadas, el precio de los paneles solares se ha reducido un 20% con cada duplicación de la capacidad acumulada mundial
10Los paneles solares no sólo se han abaratado más rápidamente que la otra gran tecnología renovable, la eólica, sino que además han pasado relativamente desapercibidos. En el caso de la energía eólica, un generador de mayor eficiencia significa turbinas más grandes, en torres más grandes, lo que implica un gran impacto visual. En el caso de las instalaciones fotovoltaicas y aún a pesar de que cubrir extensiones de tierra con ellos molesta a algunas personas en algunos lugares, en general los paneles solares son populares, gozan de más «licencia social» que cualquier otra forma de generación de energía, ya sea renovable, fósil o nuclear. Y esto no ha hecho más que empezar
Un poco de ciencia, por favor 