Crecimiento de la energía fotovoltaica

Entre 1992 y 2023, el uso mundial de la energía fotovoltaica (FV) aumentó exponencialmente . Durante este período, evolucionó de un nicho de mercado de aplicaciones a pequeña escala a una fuente de electricidad convencional. ^[4] Entre 2016 y 2022, ha experimentado una tasa de crecimiento anual de la capacidad y la producción de alrededor del 26 %, duplicándose aproximadamente cada tres años.

Cuando los sistemas solares fotovoltaicos fueron reconocidos por primera vez como una tecnología de energía renovable prometedora, varios gobiernos implementaron programas de subsidios, como tarifas de alimentación , para brindar incentivos económicos para las inversiones. Durante varios años, el crecimiento fue impulsado principalmente por Japón y los países europeos pioneros. Como consecuencia, el costo de la energía solar disminuyó significativamente debido a los efectos de la curva de experiencia como las mejoras en la tecnología y las economías de escala . Varios programas nacionales fueron fundamentales para aumentar la implementación de la energía fotovoltaica, como la Energiewende en Alemania, el proyecto Million Solar Roofs en los Estados Unidos y el plan quinquenal de China de 2011 para la producción de energía. ^[5] Desde entonces, el despliegue de la energía fotovoltaica ha ganado impulso a escala mundial, compitiendo cada vez más con las fuentes de energía convencionales . A principios del siglo XXI surgió un mercado para plantas a escala de servicios públicos para complementar las aplicaciones distribuidas en los tejados y otras. ^[6] Para 2015, unos 30 países habían alcanzado la paridad de red . ^{[7] : 9}

Desde la década de 1950, cuando se fabricaron comercialmente las primeras células solares, ha habido una sucesión de países que lideran el mundo como el mayor productor de electricidad a partir de energía solar fotovoltaica. Primero fueron los Estados Unidos, luego Japón ^[8] , seguido de Alemania y, actualmente, China.

A finales de 2022, la capacidad fotovoltaica instalada acumulada a nivel mundial alcanzó unos 1.185 gigavatios (GW), lo que supone abastecer más del 6% de la demanda mundial de electricidad, ^[9] frente a aproximadamente el 3% en 2019. ^[10] En 2022, la energía solar fotovoltaica contribuyó con más del 10% del consumo interno anual de electricidad en nueve países, y España , Grecia y Chile representaron más del 17%. ^[9]

Las agencias oficiales publican predicciones sobre el crecimiento de la energía solar, a menudo subestimándolas. ^[11] La Agencia Internacional de Energía (AIE) ha aumentado constantemente sus estimaciones durante décadas, aunque todavía se queda muy lejos de proyectar el despliegue real en cada pronóstico. ^{[12] [13]} Bloomberg NEF proyecta que se pondrán en funcionamiento 600 GW adicionales para 2030 en los Estados Unidos. ^[14] Para 2050, la AIE prevé que la energía solar fotovoltaica alcance los 4,7 teravatios (4.674 GW) en su escenario de alta energía renovable, de los cuales más de la mitad se implementarán en China e India, lo que convierte a la energía solar en la mayor fuente de electricidad del mundo. ^{[15] [16]}

La capacidad nominal indica la potencia pico de salida de las centrales eléctricas en unidades de vatio, prefijadas según convenga, por ejemplo, kilovatio (kW), megavatio (MW) y gigavatio (GW). Debido a que la potencia de salida de las fuentes renovables es variable, la generación promedio de una fuente es generalmente significativamente menor que la capacidad nominal. Para tener una estimación de la potencia de salida promedio, la capacidad se puede multiplicar por un factor de capacidad adecuado , que tiene en cuenta las condiciones variables: clima, noche, latitud, mantenimiento. A nivel mundial, el factor de capacidad solar fotovoltaica promedio es del 11%. ^[17] Además, dependiendo del contexto, la potencia pico indicada puede ser anterior a una conversión posterior a corriente alterna , por ejemplo, para un solo panel fotovoltaico, o incluir esta conversión y su pérdida para una central eléctrica fotovoltaica conectada a la red . ^{[18] : 15  [19] : 10}

La energía eólica tiene características diferentes, por ejemplo, un factor de capacidad más alto y una producción de electricidad cuatro veces mayor que la de la energía solar en 2015. En comparación con la energía eólica, la producción de energía fotovoltaica se correlaciona bien con el consumo de energía para aire acondicionado en países cálidos. A partir de 2017 ^[actualizar], un puñado de empresas de servicios públicos han comenzado a combinar instalaciones fotovoltaicas con bancos de baterías, obteniendo así varias horas de generación despachable para ayudar a mitigar los problemas asociados con la curva de pato después del atardecer. ^{[20] [21]}

En 2022, la capacidad fotovoltaica mundial total aumentó en 228 GW, con un crecimiento interanual del 24% en nuevas instalaciones. Como resultado, la capacidad global total superó los 1.185 GW a finales de año. ^[9]

Asia fue el mayor instalador de energía solar en 2022, con el 60% de la nueva capacidad y el 60% de la capacidad total. China por sí sola representó más del 40% de la nueva energía solar y casi el 40% de la capacidad total, pero solo el 30% de la generación. ^[22]

América del Norte produjo el 16% del total mundial, liderada por Estados Unidos . América del Norte tuvo el factor de capacidad más alto de todos los continentes en 2022, con un 20%, por delante de América del Sur (16%) y el mundo en general (14%). ^[22]

Casi toda la energía solar de Oceanía (39 TWh) se generó en Australia en 2022, lo que en ambos casos representa el 3% del total mundial. Sin embargo, Oceanía tuvo la mayor proporción de electricidad solar en 2022, con un 12%, por delante de Europa (4,9%), Asia (4,9%) y el mundo en general (4,6%). ^[22]

Estados Unidos fue el líder de la energía fotovoltaica instalada durante muchos años, y su capacidad total fue de 77 megavatios en 1996, más que cualquier otro país del mundo en ese momento. Desde finales de la década de 1990, Japón fue el líder mundial en producción de electricidad solar hasta 2005, cuando Alemania tomó la delantera y en 2016 tenía una capacidad de más de 40 gigavatios . En 2015, China superó a Alemania para convertirse en el mayor productor mundial de energía fotovoltaica, ^[23] y en 2017 se convirtió en el primer país en superar los 100 GW de capacidad instalada. Los países líderes per cápita en 2022 fueron Australia, Países Bajos y Alemania.

Estados Unidos , donde se inventó la energía solar fotovoltaica moderna, lideró la capacidad instalada durante muchos años. Basándose en el trabajo previo de ingenieros suecos y alemanes, el ingeniero estadounidense Russell Ohl de Bell Labs patentó la primera célula solar moderna en 1946. ^{[24] [25] [26]} También fue allí, en Bell Labs, donde se desarrolló la primera célula práctica de silicio c en 1954. ^{[27] [28]} Hoffman Electronics , el fabricante líder de células solares de silicio en los años 1950 y 1960, mejoró la eficiencia de la célula, produjo radios solares y equipó Vanguard I , el primer satélite alimentado con energía solar lanzado a la órbita en 1958.

En 1977, el presidente estadounidense Jimmy Carter instaló paneles solares de agua caliente en la Casa Blanca (posteriormente retirados por el presidente Reagan) para promover la energía solar ^[29] y se estableció el Laboratorio Nacional de Energía Renovable , originalmente llamado Instituto de Investigación de Energía Solar , en Golden, Colorado. En la década de 1980 y principios de la de 1990, la mayoría de los módulos fotovoltaicos se utilizaban en sistemas de energía autónomos o en productos de consumo como relojes , calculadoras y juguetes, pero desde aproximadamente 1995, los esfuerzos de la industria se han centrado cada vez más en el desarrollo de sistemas fotovoltaicos en azoteas y centrales eléctricas conectados a la red . En 1996, la capacidad solar fotovoltaica en los EE. UU. ascendía a 77 megavatios, más que cualquier otro país del mundo en ese momento. Luego, Japón se adelantó.

Japón tomó la delantera como el mayor productor mundial de electricidad fotovoltaica, después de que la ciudad de Kobe fuera golpeada por el Gran Terremoto de Hanshin en 1995. Kobe experimentó graves cortes de energía como consecuencia del terremoto, y los sistemas fotovoltaicos fueron considerados entonces como un proveedor temporal de energía durante tales eventos, ya que la interrupción de la red eléctrica paralizó toda la infraestructura, incluidas las estaciones de servicio que dependían de la electricidad para bombear gasolina. Además, en diciembre de ese mismo año, ocurrió un accidente en la multimillonaria Planta de Energía Nuclear experimental de Monju . Una fuga de sodio provocó un gran incendio y obligó a un cierre (clasificado como INES 1). Hubo una indignación pública masiva cuando se reveló que la agencia semigubernamental a cargo de Monju había tratado de encubrir la magnitud del accidente y los daños resultantes. ^{[30] [31]} Japón siguió siendo líder mundial en energía fotovoltaica hasta 2004, cuando su capacidad ascendió a 1.132 megavatios. Luego, el enfoque en el despliegue de energía fotovoltaica se trasladó a Europa.

En 2005, Alemania tomó la delantera de Japón. Con la introducción de la Ley de Energías Renovables en 2000, se adoptaron las tarifas de alimentación como mecanismo de política. Esta política estableció que las energías renovables tienen prioridad en la red y que se debe pagar un precio fijo por la electricidad producida durante un período de 20 años, proporcionando una rentabilidad garantizada de la inversión independientemente de los precios reales del mercado. Como consecuencia, un alto nivel de seguridad de la inversión llevó a un aumento vertiginoso del número de nuevas instalaciones fotovoltaicas que alcanzó su punto máximo en 2011, al tiempo que los costos de inversión en tecnologías renovables se redujeron considerablemente. En 2016, la capacidad fotovoltaica instalada de Alemania superó la marca de los 40 GW.

China superó la capacidad de Alemania a fines de 2015, convirtiéndose en el mayor productor mundial de energía fotovoltaica. ^{[32] El rápido crecimiento de la energía fotovoltaica} en China continuó en 2016, con 34,2 GW de energía solar fotovoltaica instalada. ^[33] La rápida reducción de las tarifas de alimentación ^[34] a fines de 2015 motivó a muchos desarrolladores a asegurar las tarifas antes de mediados de 2016, ya que anticipaban más recortes (correctamente ^[35] ). Durante el transcurso del año, China anunció su objetivo de instalar 100 GW durante el próximo Plan Económico Quinquenal chino (2016-2020). China esperaba gastar ¥1 billón ($145 mil millones) en construcción solar ^[36] durante ese período. Gran parte de la capacidad fotovoltaica de China se construyó en el oeste relativamente menos poblado del país, mientras que los principales centros de consumo de energía estaban en el este (como Shanghái y Pekín). ^[37] Debido a la falta de líneas de transmisión de energía adecuadas para transportar la energía de las plantas de energía solar, China tuvo que reducir su energía fotovoltaica generada. ^{[37] [38] [39]}

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El precio medio por vatio de las células solares se redujo drásticamente en las décadas anteriores a 2017. Mientras que en 1977 los precios de las células de silicio cristalino eran de unos 77 dólares por vatio, los precios spot medios en agosto de 2018 eran tan bajos como 0,13 dólares por vatio o casi 600 veces menos que hace cuarenta años. Los precios de las células solares de película fina y de los paneles solares de silicio cristalino eran de alrededor de 0,60 dólares por vatio. ^[42] Los precios de los módulos y las células disminuyeron aún más después de 2014 (véanse las cotizaciones de precios en la tabla) .

Esta tendencia de precios fue vista como evidencia que apoya la ley de Swanson (una observación similar a la famosa Ley de Moore ) que establece que el costo por vatio de las células y paneles solares cae un 20 por ciento por cada duplicación de la producción fotovoltaica acumulada. ^[43] Un estudio de 2015 mostró que el precio/kWh cayó un 10% por año desde 1980 y predijo que la energía solar podría contribuir con el 20% del consumo total de electricidad para 2030. ^[44]

Las siguientes cifras para países seleccionados representan el costo por kilovatio de la generación solar a escala de servicios públicos, así como el precio por kilovatio-hora en 2022 y una comparación con 2010. Los dólares están expresados ​​en dólares internacionales de 2022. Los datos son de IRENA. ^[45]

En los años previos a 2017, se produjeron avances significativos en la tecnología convencional de silicio cristalino (c-Si). La caída del coste del polisilicio desde 2009, que siguió a un período de grave escasez (véase más abajo) de materia prima de silicio, aumentó la presión sobre los fabricantes de tecnologías fotovoltaicas de película fina comerciales , incluido el silicio amorfo de película fina (a-Si), el telururo de cadmio (CdTe) y el diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), lo que llevó a la quiebra de varias empresas de película fina que alguna vez habían sido muy promocionadas. ^[47] El sector se enfrentó a la competencia de precios de los fabricantes chinos de células y módulos de silicio cristalino, y algunas empresas, junto con sus patentes, se vendieron por debajo del coste. ^[48]

En 2013, las tecnologías de película delgada representaron aproximadamente el 9 por ciento del despliegue mundial, mientras que el 91 por ciento estuvo en manos del silicio cristalino ( mono-Si y multi-Si ). Con el 5 por ciento del mercado general, el CdTe tenía más de la mitad del mercado de película delgada, dejando el 2 por ciento para cada CIGS y silicio amorfo. ^{[49] : 24–25}

• Tecnología CIGS

El seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) es el nombre del material semiconductor en el que se basa la tecnología. Uno de los mayores productores de energía fotovoltaica CIGS en 2015 fue la empresa japonesa Solar Frontier con una capacidad de fabricación a escala de gigavatios. Su tecnología de línea CIS incluía módulos con eficiencias de conversión de más del 15%. ^[50] La empresa se benefició del auge del mercado japonés e intentó expandir su negocio internacional. Sin embargo, varios fabricantes destacados no pudieron seguir el ritmo de los avances en la tecnología convencional de silicio cristalino. La empresa Solyndra cesó toda actividad comercial y se declaró en quiebra en el Capítulo 11 en 2011, y Nanosolar , también fabricante de CIGS, cerró sus puertas en 2013. Aunque ambas empresas produjeron células solares CIGS, se ha señalado que el fracaso no se debió a la tecnología sino a las propias empresas, que utilizaron una arquitectura defectuosa, como, por ejemplo, los sustratos cilíndricos de Solyndra. ^[51]

• Tecnología CdTe

La empresa estadounidense First Solar , un fabricante líder de CdTe, construyó varias de las centrales solares más grandes del mundo , como la Desert Sunlight Solar Farm y la Topaz Solar Farm , ambas en el desierto de California con una capacidad de 550 MW cada una, así como la planta solar de 102 MW _AC Nyngan en Australia (la central fotovoltaica más grande del hemisferio sur en ese momento) puesta en servicio a mediados de 2015. ^[52] En 2013, se informó que la empresa estaba produciendo con éxito paneles de CdTe con una eficiencia en constante aumento y un coste por vatio decreciente. ^{[53] : 18–19} El CdTe fue el tiempo de recuperación de energía más bajo de todas las tecnologías fotovoltaicas producidas en masa, y podría ser tan corto como ocho meses en ubicaciones favorables. ^{[49] : 31} La empresa Abound Solar , también fabricante de módulos de telururo de cadmio, se declaró en quiebra en 2012. ^[54]

• Tecnología a-Si

En 2012, ECD solar , que en su día fue uno de los principales fabricantes mundiales de tecnología de silicio amorfo (a-Si), se declaró en quiebra en Michigan, Estados Unidos. La suiza OC Oerlikon vendió su división solar que producía células tándem a-Si/μc-Si a Tokyo Electron Limited . ^{[55] [56]} Otras empresas que abandonaron el mercado de películas finas de silicio amorfo incluyen a DuPont , BP , Flexcell, Inventux, Pramac, Schuco, Sencera, EPV Solar, ^[57] NovaSolar (anteriormente OptiSolar) ^[58] y Suntech Power , que dejó de fabricar módulos a-Si en 2010 para centrarse en paneles solares de silicio cristalino . En 2013, Suntech se declaró en quiebra en China. ^{[59] [60]}

A principios de la década de 2000, los precios del polisilicio , la materia prima de las células solares convencionales, eran tan solo 30 dólares por kilogramo y los fabricantes de silicio no tenían incentivos para ampliar la producción.

Sin embargo, en 2005 hubo una grave escasez de silicio, cuando los programas gubernamentales provocaron un aumento del 75% en el despliegue de energía solar fotovoltaica en Europa. Además, la demanda de silicio por parte de los fabricantes de semiconductores estaba creciendo. Como la cantidad de silicio necesaria para los semiconductores representa una porción mucho menor de los costos de producción, los fabricantes de semiconductores pudieron superar las ofertas de las empresas solares por el silicio disponible en el mercado. ^[61]

Al principio, los productores de polisilicio que ya estaban en el poder reaccionaron con lentitud a la creciente demanda de aplicaciones solares, debido a su dolorosa experiencia con la sobreinversión en el pasado. Los precios del silicio aumentaron bruscamente hasta unos 80 dólares por kilogramo, y llegaron a alcanzar los 400 dólares por kilogramo en contratos a largo plazo y precios al contado. En 2007, las restricciones al silicio se hicieron tan severas que la industria solar se vio obligada a dejar inactiva cerca de una cuarta parte de su capacidad de fabricación de células y módulos (unos 777 MW de la capacidad de producción disponible en ese momento). La escasez también proporcionó a los especialistas en silicio tanto el dinero como un incentivo para desarrollar nuevas tecnologías y varios nuevos productores entraron en el mercado. Las primeras respuestas de la industria solar se centraron en mejoras en el reciclaje del silicio. Cuando se agotó este potencial, las empresas han estado estudiando con más detenimiento alternativas al proceso convencional de Siemens . ^[62]

Como la construcción de una nueva planta de polisilicio lleva unos tres años, la escasez se prolongó hasta 2008. Los precios de las células solares convencionales se mantuvieron constantes o incluso aumentaron ligeramente durante el período de escasez de silicio de 2005 a 2008. Esto se considera en particular un "hombro" que sobresale en la curva de aprendizaje de la energía fotovoltaica de Swanson y se temía que una escasez prolongada pudiera retrasar la competitividad de la energía solar con los precios de la energía convencional sin subsidios.

Mientras tanto, la industria solar redujo la cantidad de gramos por vatio al reducir el espesor de las obleas y la pérdida de corte, lo que aumentó el rendimiento en cada paso de fabricación, redujo la pérdida de módulos y aumentó la eficiencia de los paneles. Por último, el aumento de la producción de polisilicio alivió la escasez de silicio en los mercados mundiales en 2009 y, posteriormente, provocó un exceso de capacidad con una marcada caída de los precios en la industria fotovoltaica durante los años siguientes.

Producción de módulos solares

Utilización de la capacidad de producción en %

Los gráficos no están disponibles debido a problemas técnicos. Hay más información en Phabricator y en MediaWiki.org.

Tasa de utilización de la capacidad de producción de módulos solares fotovoltaicos en % desde 1993 ^{[63] : 47}

Como la industria del polisilicio había comenzado a construir grandes capacidades de producción adicionales durante el período de escasez, los precios cayeron hasta 15 dólares por kilogramo, obligando a algunos productores a suspender la producción o abandonar el sector. Los precios del silicio se estabilizaron alrededor de 20 dólares por kilogramo y el auge del mercado solar fotovoltaico ayudó a reducir la enorme sobrecapacidad mundial a partir de 2009. Sin embargo, el exceso de capacidad en la industria fotovoltaica continuó persistiendo. En 2013, el despliegue récord mundial de 38 GW (cifra actualizada de EPIA ^[18] ) todavía era mucho menor que la capacidad de producción anual de China de aproximadamente 60 GW. El continuo exceso de capacidad se redujo aún más al reducir significativamente los precios de los módulos solares y, como consecuencia, muchos fabricantes ya no podían cubrir los costos o seguir siendo competitivos. A medida que continuó el crecimiento mundial del despliegue de energía fotovoltaica, se esperaba que la brecha entre el exceso de capacidad y la demanda mundial en 2014 se cerrara en los próximos años. ^[64]

La IEA-PVPS publicó en 2014 datos históricos sobre la utilización mundial de la capacidad de producción de módulos solares fotovoltaicos que mostraban un lento retorno a la normalización de la fabricación en los años previos a 2014. La tasa de utilización es la relación entre la capacidad de producción y la producción real para un año determinado. En 2007 se alcanzó un mínimo del 49%, que reflejó el pico de la escasez de silicio que dejó inactiva una parte importante de la capacidad de producción de módulos. En 2013, la tasa de utilización se había recuperado un poco y había aumentado hasta el 63%. ^{[63] : 47}

Después de que se presentaron peticiones antidumping y se llevaron a cabo investigaciones, ^[65] Estados Unidos impuso aranceles del 31 por ciento al 250 por ciento a los productos solares importados de China en 2012. ^[66] Un año después, la UE también impuso medidas antidumping y antisubvenciones definitivas a las importaciones de paneles solares de China con un promedio del 47,7 por ciento durante un período de dos años. ^[67]

Poco después, China, a su vez, impuso aranceles a las importaciones de polisilicio de Estados Unidos, materia prima para la producción de células solares. ^[68] En enero de 2014, el Ministerio de Comercio chino fijó su arancel antidumping a los productores estadounidenses de polisilicio, como Hemlock Semiconductor Corporation, en el 57%, mientras que otras grandes empresas productoras de polisilicio , como la alemana Wacker Chemie y la coreana OCI, se vieron mucho menos afectadas. Todo esto ha causado mucha controversia entre los defensores y los opositores y fue objeto de debate.

Las cifras de implementación a escala mundial, regional y nacional están bien documentadas desde principios de la década de 1990. Si bien la capacidad fotovoltaica mundial creció de manera continua, las cifras de implementación por país fueron mucho más dinámicas, ya que dependían en gran medida de las políticas nacionales. Varias organizaciones publican informes completos sobre la implementación de energía fotovoltaica anualmente. Incluyen la capacidad fotovoltaica implementada anual y acumulada , generalmente expresada en vatios pico , un desglose por mercados, así como un análisis en profundidad y pronósticos sobre las tendencias futuras.

Número de países con
capacidades fotovoltaicas a escala de gigavatios

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Creciente número de mercados de gigavatios solares

  Más de 1 GW

• 2021
  2020
  2019
  2018
  2017
  2016
  2015
  2014
  2013
  2012
  2011
  2010
  2009
  2008
  2004

  Más de 10 GW

• 2022
  2021
  2020
  2019
  2018
  2017
  2016
  2013
  2011
  2010

  Más de 100 GW

• 2021	[70]
  2017

Entre 2000 y 2022, la capacidad solar aumentó en promedio un 37 % al año, duplicándose cada 2,2 años. Durante el mismo período, el factor de capacidad aumentó del 10 % al 14 %. Los datos de la siguiente tabla son de Ember, publicados en 2024, ^[22] con datos anteriores de BP publicados en 2014. ^[71]

• Crecimiento de la energía solar concentrada (CSP)
• Lista de temas de energía renovable por país y territorio
• Energía solar por país
• Cronología de las células solares
• Energía eólica por países

• AIE–Agencia Internacional de Energía, Publicaciones
• IEA–PVPS, Programa de Sistemas de Energía Fotovoltaica de la IEA
• NREL–Laboratorio Nacional de Energías Renovables, Publicaciones
• FHI–ISE, Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar
• APVI – Instituto Australiano de Energía Fotovoltaica
• EPIA–Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica
• SEIA–Asociación de Industrias de Energía Solar
• CanSIA–Asociación Canadiense de Industrias Solares
• Presentación en YouTube : Análisis de costos de la producción fotovoltaica actual, curva de aprendizaje de la energía fotovoltaica – UNSW , Pierre Verlinden, Trina Solar