Balance energético de los paneles solares fotovoltaicos: EROI

El balance de energía en la producción de paneles solares fotovoltaicos

En primera instancia, uno puede pensar que el balance entre la energía utilizada para fabricar los paneles solares fotovoltaicos, y la cantidad de energía que estos producen a lo largo de su vida útil, es con creces positivo por tratarse de un sistema abierto donde la energía proviene de nuestro Sol. Pero, la segunda ley de la termodinámica es tajante en este aspecto, y con las tecnologías actuales no hay manera de que los paneles solares fotovoltaicos produzcan más energía de la que se consume para su fabricación. Si no, tome en cuenta cuánta energía solar se invirtió en crear los combustibles fósiles que se gastan en producir dichos paneles solares fotovoltaicos, y sí la física está en lo correcto, es mucho más de lo que generarán esos paneles solares fotovoltaicos en su vida útil. Pero el caso es que no tiene sentido intentar quebrantar las leyes impuestas por la ciencia para justificar el uso de la tecnología solar fotovoltaica, sino demostrar que el balance energético entre la energía usada en la fabricación de los paneles solares fotovoltaicos y la energía que estos producen, tiene beneficios importantes para las sociedades humanas y para el planeta.

Para ello, debemos cuantificar ese balance energético de manera precisa. El problema es que en la actualidad no existe una metodología estándar y ampliamente aceptada que permita determinar este balance energético sin ningún tipo de ambigüedades, y que además pueda ser aplicado de manera universal a todas las tecnologías y procesos de manufactura en la industria fotovoltaica. Por ahora, solo se cuenta con metodologías que permiten estimar las inversiones económicas que se hacen en términos de energía, y son las que se usan para estimar la viabilidad de una fuente energética con respecto a otra. Estas metodologías son el EROI y sus derivaciones.

EL rendimiento energético de la inversión en energia: EROI

Actualmente, la tendencia para determinar el balance de energía en la mayoría de los procesos industriales es la de usar el EROI ¹, siglas en inglés de Energy Return On Investment. Pero, esta forma de calcular el retorno de la energía invertida no es desde el punto de vista termodinámico, ya que no se trata de energía invertida propiamente, sino de cuánto se invierte desde el punto de vista económico en la energía necesaria para producir esa nueva fuente de energía. En pocas palabras, lo que se busca es utilizar energía de muy poco valor económico para generar una fuente de energía con un mayor valor económico.

El EROI se calcula a partir de la siguiente expresión:

$$ EROI = {{Energía~final~retornada} \over {Energía~inicial~invertida}} $$

Esta ecuación arroja como resultado un número adimensional que es una proporción, que representa la cantidad de energía invertida en términos económicos con respecto a la energía final obtenida. Normalmente, se considera que una fuente de energía es viable si el EROI es igual o mayor 1. Sin embargo, hay un EROI mínimo para que una fuente de energía sea considerada verdaderamente útil para la sociedad, y este valor se estima que está en el rango de 3 a 6². Este EROI mínimo es el que permite disponer de energía para el resto de actividades humanas que son las que generan el crecimiento y desarrollo económico de la sociedad en general. Por debajo de este valor de EROI mínimo, las sociedades en principio tenderían al colapso económico.

Tomando como ejemplo el EROI de las principales fuentes de energía ³ tenemos que el carbón está en el rango de 27 a 50; el de gas natural entre 20 y 40; el petróleo entre 10 y 20; el de la energía nuclear entre 5 y 15; las hidroeléctricas tienen normalmente un valor superior a 80; y la energía solar fotovoltaica se estima que tiene un valor entre 6 y 12. Sin embargo, este valor de EROI estimado para la energía solar fotovoltaica no toma en cuenta los problemas de la intermitencia y de la sincronización de la producción de energía con el momento del uso de esa energía. Al tomar en cuenta estos factores el EROI de la energía solar fotovoltaica se reduce a un rango entre 2 y 6⁴. Este valor de EROI no es suficiente para mantener el crecimiento y desarrollo de las sociedades modernas con sus actuales necesidades y exigencias energéticas.

Como vemos, el balance energético para los paneles solares fotovoltaicos desde el punto de vista del EROI no es para nada halagüeño. Esto implica que la energía solar fotovoltaica como fuente de energía ofrece menos oportunidades para el crecimiento y desarrollo de las sociedades humanas, que los otros tipos de combustibles existentes. Para que la energía solar fotovoltaica pueda considerarse como una fuente de energía sustentable y fiable en el futuro, es necesario aumentar el valor del EROI. Debido a las complejidades intrínsecas que afectan el cálculo del valor del EROI, la única forma viable de hacer más atractivo dicho valor, es que se comience a tomar en cuenta las externalidades negativas reales en los costos de producción de la energía, como son la generación de gases de efecto invernadero, polución de las aguas, y destrucción de la vida y de la diversidad en los grandes ecosistemas. Sin embargo, tomar en cuenta estas externalidades simplemente reducirá el EROI de las otras fuentes de energía, nivelándose con el valor del EROI de la energía solar fotovoltaica.

Para aumentar el EROI de la energía solar fotovoltaica es necesario migrar hacia tecnologías de fabricación que dependan en menor medida de los combustibles fósiles que tienen un EROI elevado. Para ello, se necesita migrar de las celdas solares monocristalinas en base a silicio a celdas solares con tecnología de películas delgadas con nuevos materiales, ya que es la tecnología que promete un alto potencial para obtener un EROI de alto valor⁵, mayor a 12.

Pero al final de cuentas, el EROI no es una medida real del balance energético de los paneles solares fotovoltaicos, sino más bien un estudio de la viabilidad económica de esta fuente de energía con respecto a las otras fuentes cuando se analizan dentro de un mismo marco referencial y legal. Para bien o mal, el valor del EROI determina cuál fuente de energía es la más atractiva para inversionistas, y por ende, para los mercados energéticos.

El camino hacia la transición energética con energías renovables

Hay mucho deseo en hacer la transición hacia un mundo donde el cien por ciento de la energía sea provista por fuentes de energías renovables y sustentables. Sin embargo, la realidad es que dicha transición no es para nada fácil y probablemente jamás logremos alcanzar ese cien por ciento de energías renovables, limpias y sustentables.

Cuando se analiza cuánta energía se debe producir por medio de las energías renovables y sustentables para satisfacer las necesidades de las sociedades en el futuro, nos encontramos con que esa cantidad de energía dependerá básicamente de la cantidad de energía per cápita que se considera necesaria para mantener el desarrollo económico de una sociedad desarrollada. Existen muchos modelos que estiman esos valores de energía para las próximas décadas, encontrando valores de potencia que se encuentran en el rango de 600 a 5000 W. Como referencia se suele utilizar el programa 2000-Watt Society propuesto por el Swiss Federal Institute of Technology in Zürich (ETH Zurich), que tiene por objetivo mantener un consumo promedio per cápita de 2000 W para el año 2050.

Tomando como referencia los 2000 W per cápita como objetivo de consumo energético para las próximas décadas, la mayoría de las investigaciones arrojan que no es posible lograr dicho objetivo a nivel mundial a menos que la inversión anual actual en fuentes de energías renovables se multiplique por más de un orden de magnitud durante las próximas décadas. Aún así, no hay garantía de que pueda cumplirse con dicho objetivo y que se logre una reducción de emisión de gases de efecto invernadero por debajo de los límites sugeridos en los estudios sobre cambio climático. Irónicamente, se requerirá un aumento en el uso intensivo de los combustibles fósiles para hacer viable las primeras etapas de la transición hacia energías renovables, pero el costo de esos combustibles fósiles aumentará considerablemente por las presiones que imponen las políticas de mitigación del cambio climático que buscan la transición hacia las energías renovables, haciendo que dicha transición sea más compleja y difícil de lograr.

Por ejemplo, si tomamos como referencia las simulaciones para una transición energética a energías renovables para el año 2100, cuyas estimaciones se muestran en la figura 1 ⁶, nos encontramos con un escenario que impone la necesidad de instalar al menos 10 TWp/año en energías renovables, y que el EROEI promedio de las tecnologías usadas esté por el orden de 20. Este tipo de escenario es poco realista con las tecnologías disponibles hoy día, con el valor actual del EROI, y del ritmo de instalaciones que para el quinquenio 2022-2027 estima una capacidad instalada acumulada por el orden de los 2.95 TW ⁷. Además, en este escenario los combustibles fósiles desempeñan un rol fundamental en las primeras etapas de la transición, al proveer la energía necesaria para poder lograr los objetivos de producción e instalación de esas fuentes de energía renovable.

Este tipo de simulaciones son importantes porque nos permiten visualizar los retos a los que se enfrentan las energías renovables en su intento en generar una transición energética a nivel global. Pero, no solo los retos tecnológicos asociados con las energías renovables pueden aminorar el paso de su implementación, sino que los problemas de infraestructura, falta de financiamiento y políticas claras en los países en vía de desarrollo, que es donde habita el grueso de la población mundial, pueden descarrilar los planes hacia una transición energética global efectiva.

Por último, y tal vez lo más importante a considerar, es el papel que desempeña el comportamiento humano en cualquiera de los posibles escenarios en la transición energética. ¿Es capaz la población de adaptarse a un escenario de energía limitada de 2000 W? ¿Los inversionistas preferirán invertir en el mercado de energías renovables a pesar de que la inversión en combustibles fósiles es mucho más lucrativa? ¿Los cambios políticos y económicos necesarios para la transición energética se darán con rapidez necesaria?

La historia es bastante clara en estos aspectos, y nos pone como ejemplo el mercado más lucrativo de toda la historia humana que es el de los combustibles fósiles, mercado que hoy día se tambalea porque no fue posible incorporar tecnologías de secuestro de gases de efecto invernadero porque aumentaban los costos y reducían los márgenes de ganancias netas. Esos mismos inversionistas ahora participan en los mercados de las energías alternativas, porque los subsidios y políticas gubernamentales los han convertido en un mercado atractivo para las próximas décadas.

Recapitulación

El balance energético actual de los paneles solares fotovoltaicos desde el punto de vista del EROI no es suficiente para garantizar el crecimiento sostenible de sociedades desarrolladas. Es necesario aumentar considerablemente el EROI de las tecnologías utilizadas en la fabricación de celdas solares fotovoltaicas para incentivar la inversión y crecimiento de los mercados de la energía solar fotovoltaica.

Solo el comportamiento de la población humana, ante los cambios que se avecinan en el sector energético, podrá influenciar de manera positiva o negativa los planes de migración hacia las energías renovables.

Referencias bibliográficas