El informe Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018, publicado por InterSolar y la Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA) en junio de 2014, estima que en 2020 pueden alcanzarse los 350 GW de potencia fotovoltaica instalada en el mundo. Y prevé un constante aumento a medio plazo. Aumento que también está relacionado con el desarrollo de tecnologías innovadoras para producir FV de nueva generación.
No obstante, a pesar de las nuevas aplicaciones y crecientes tendencias en la producción, las instalaciones FV todavía tienen una baja participación en la generación mundial de electricidad: únicamente un 1,8%. Por tanto, deben promoverse diseños de instalaciones que optimicen el funcionamiento del sistema y que reduzcan el consumo de materiales, para así poder disminuir los impactos ambientales asociados.
Figura 1. Fundamentos y bases para el aumento del aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica
En este sentido, la incorporación en paneles fotovoltaicos de materiales de cambio de fase, llamados comúnmente PCM por sus siglas en inglés, persigue fomentar el aprovechamiento de la energía solar y romper barreras tecnológicas, incrementar la eficiencia ambiental y energética, disminuir el deterioro de los módulos e impulsar las energías renovables.
Reguladores de temperatura y almacenamiento de calor
Los paneles FV más comercializados tienen una eficiencia de conversión eléctrica (ηpv) aún demasiado baja, alrededor del 16%. Otro aspecto crucial a destacar en el funcionamiento óptimo de estos sistemas es su vida útil (aproximadamente 25 años), es decir, el período de tiempo en el cual garantiza como mínimo el 80% de su potencia nominal. El factor fundamental común a los mecanismos de degradación prematura son las altas temperaturas de operación (Tpv), ya que aceleran los procesos físicos de corrosión y decoloración. A mediodía, cuando la presencia del sol incide con más fuerza, la temperatura de operación llega a alcanzar valores tan altos (de hasta 80º C) que ponen en peligro la integridad de los materiales y el funcionamiento de la instalación fotovoltaica.
Para lograr que la tecnología FV sea considerada como una de las bases energéticas es necesario aumentar el porcentaje de conversión de energía solar a electricidad y disminuir las pérdidas de calor. Y la utilización de PCM puede ser una herramienta con mucho potencial.
Un PCM es cualquier sustancia o compuesto que cambie de fase, ya sea de sólido a líquido, de líquido a gas o viceversa. Estos materiales son considerados pasivos e inteligentes, ya que al llegar a su temperatura de cambio de fase (Tfusion), absorben o liberan energía en forma de calor latente manteniendo su temperatura constante y favoreciendo la transferencia de calor. Por otro lado, el calor latente de fusión es mucho mayor que el calor sensible, y por tanto aumenta notablemente la capacidad de almacenamiento.
Prácticamente cualquier material puede considerarse un PCM, pero existen notorias diferencias entre sus propiedades termofísicas debido a su naturaleza. Es por eso que la clasificación de estos materiales se basa en su composición química, tal como se muestra en el esquema de la figura 2. Los materiales orgánicos son el grupo más numeroso y poseen elevada capacidad de acumular calor, pero baja conductividad térmica.
Figura 2. Clasificación de los PCM según su composición química.
Dentro de los compuestos inorgánicos, las sales hidratadas destacan por su abundante disponibilidad y reducido coste económico. Al contrario que los metales y sus aleaciones que, a pesar de su gran conductividad térmica, son más caros y pesados comparados con otros PCM. Por último, los eutécticos y mezclas pueden combinar las ventajas de los grupos anteriores (orgánicos y/o inorgánicos). Sin embargo, se requiere profundizar más en la investigación de este campo.
Durante el proceso de cambio de fase mientras el material está recibiendo calor del entorno, su temperatura permanece constante y absorbe esta energía térmica. Energía que cuando dejan de recibir radiación solar y la temperatura desciende por debajo de la temperatura de cambio de fase, se produce el proceso inverso, es decir, comienzan a ceder el calor acumulado al ambiente.
Utilizando esta singularidad, la aplicación de PCM en el reverso de una placa fotovoltaica permite absorber las pérdidas en forma de calor, disminuyendo así la temperatura de operación de la FV, evitando el sobrecalentamiento de las células fotovoltaicas y mejorando su eficiencia.
Cómo funciona esta tecnología
Las mejoras que conlleva esta nueva generación de FV se basan en la regulación térmica que provocan, lo que permite un aumento de la eficiencia de conversión eléctrica, la prevención de temperaturas extremas y puntos calientes en las placas así como el incremento del tiempo de vida útil. En la Figura 3, se muestra la configuración considerada para un panel FV con la incorporación de PCM.
Con el objetivo de profundizar en el funcionamiento del sistema, el grupo de Ecoeficiencia y Análisis Ambiental de Circe ha modelizado el comportamiento de los paneles FV convencionales y con la incorporación de PCM mediante la creación de un modelo matemático específico basado en un balance global de energía por unidad de superficie.
Figura 3. Configuración esquemática del sistema PV/PCM.
Para asegurar un comportamiento propicio del sistema PV/PCM, se debe seleccionar entre las posibles alternativas el PCM más adecuado en función de sus características. Por un lado, un factor primordial en dicha selección es la Tfusion, que caracteriza el comportamiento de las nuevas variables de operación. Con la inclusión de la nueva capa de PCM, se analizan los cambios originados tanto en la temperatura de operación (Tpv/pcm) como en la eficiencia de conversión (ηpv/pcm).
Y, por otro lado, el calor latente de fusión (H) define principalmente la capacidad del sistema para acumular la energía térmica transferida por conducción hasta la capa de PCM. Por último, el calor acumulado se disipará al ambiente cuando la temperatura descienda dando comienzo a un nuevo ciclo al día siguiente.
Un ejemplo en Sevilla
Una variable fundamental en el funcionamiento de la FV, especialmente en el caso de esta nueva generación que incluye PCM, es su ubicación geográfica, tanto por la incidencia solar que reciben como por el clima existente. Por ejemplo, se puede analizar las ventajas de la FV con PCM en una ubicación como Sevilla, con un gran potencial fotovoltaico y una climatología caracterizada por inviernos muy suaves y veranos muy cálidos y áridos.
En la Figura 4 se presentan los datos anuales promedio del 2013 de las principales variables de operación de un sistema FV sin PCM y se observa cómo la temperatura y la eficiencia son inversamente proporcionales, obteniendo valores extremos en los resultados de julio y agosto, donde las máximas temperaturas cercanas a los 55º C corresponden a eficiencias de conversión mínimas (10.5%).
Figura 4. Valores de Tpv y ηpv sin PCM en Sevilla.
Por tanto, la selección de PCM se centra en los meses con temperaturas más altas, ya que son los potencialmente peligrosos para los materiales y más ineficientes respecto a la conversión eléctrica. Así pues, para el ejemplo de Sevilla, se escoge el rango temperatura de cambio de fase para el PCM desde 30º hasta 40º C. Aunque son muchos los PCM incluidos en el rango de temperaturas de interés, estas opciones se verán reducidas conforme se apliquen otros criterios de selección.
Entre ellos, que los valores de H sean lo más elevados posible, que la aplicación genere el menor impacto ambiental y finalmente, que el coste económico sea razonable. En este caso se utilizaron compuestos inorgánicos, concretamente dos sales hidratadas, cuyas Tfusion son 32º y 40º C, respectivamente.
En la Figura 5 se muestran concretamente los valores de temperatura de operación para un sistema FV sin PCM, y otros tres con PCM para un día tipo del mes de agosto en Sevilla. Precisamente agosto es uno de los meses que alcanzan elevadas temperaturas de operación, por lo que la utilización de PCM consigue controlar el exceso de calor, reduciendo Tpv y evitando así la generación de puntos calientes.
Por un lado, la configuración con una capa de 1,5 cm del compuesto con Tfusion= 40º C, consigue una reducción de hasta 7º C. Por otro lado, el PCM con Tfusion = 32º C y espesor de 2 cm, consigue una regulación ligeramente mayor (8ºC). Y si, finalmente, combinamos los dos PCM en una misma capa de 2cm, Tpv/pcm se reduce entre 5 y 14º C, dependiendo de la hora del día.
Figura 5. Comportamiento de T con y sin PCM en distintas configuraciones del sistema FV para un día tipo de agosto en Sevilla.
Por último, resaltar que un aumento de Tpv o Tpv/pcm es perjudicial para ηpv y ηpv/pcm, respectivamente. Por ello cabe destacar que, además de la notable regulación térmica conseguida por la presencia del PCM, la eficiencia del sistema FV/PCM también ve mejorados sus valores, incrementando hasta un 3% respecto al caso de referencia sin PCM. En conclusión, la incorporación del PCM en el sistema podría aumentar la generación gracias a la mejora de la eficiencia de conversión eléctrica.
Qué impacto ambiental produce
Desde el punto de vista de regulación de la temperatura de operación y mejora de la eficiencia, se ha demostrado que la incorporación de PCM aporta un beneficio respecto al aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica. No obstante, no hay que olvidar plantearse una pregunta que actualmente está cobrando más fuerza en todos los sectores: ¿tiene ese elemento adicional (PCM) un impacto positivo o negativo desde el punto de vista ambiental? Para responder esta pregunta, esta investigación utilizó una metodología estandarizada reconocida a nivel internacional como es el análisis de ciclo de vida (ACV) y el programa informático SimaPro.
La Sociedad de Ecotoxicología y Química Ambiental (SETAC) define el ACV como “un proceso objetivo para evaluar las cargas asociadas a un producto, proceso, o actividad a través de la identificación de la energía y materiales utilizados y los residuos evacuados al medio, y para evaluar e implementar oportunidades que puedan mejorar el medio ambiente”. Y es que todos los productos, procesos o actividades económicas están directamente relacionados con el consumo de recursos y la emisión de contaminantes al medio ambiente.
El objetivo del ACV es cuantificar los impactos ambientales de dichos productos desde el enfoque de su ciclo de vida completo, “de la cuna a la tumba”. La estandarización de la metodología viene regulada por las normas ISO 14040:2006 e ISO 14044:2006. La unidad funcional está determinada por la función principal de los procesos productivos a comparar, en este caso, una FV de silicio (Si) policristalino de 1 m2. Además, es necesario definir la unidad funcional temporal, representada por el tiempo de vida útil de la PV (25 años).
Se comparó el ciclo de vida de dos escenarios distintos, de aquí en adelante, estados. Los límites del sistema para el primero de ellos, Estado 1, incluyen una unidad de FV policristalina de 1 m2 estándar. Mientras que el Estado 2, es la combinación de esta misma FV pero con la incorporación del módulo con PCM en el interior de un contenedor metálico de aluminio secundario. En ambos casos, además de la fabricación de los componentes de los sistemas, se incluye su transporte por carretera. Los límites del sistema también tienen en cuenta lo que sucede con los materiales al final de su vida útil, considerando su disposición final en vertedero.
El Inventario del Ciclo de Vida incluye la energía y materiales involucrados en el análisis durante la vida útil de una FV estándar, teniendo en cuenta la unidad funcional previamente establecida. Para definir el inventario se cuantificaron para todos los estados las cantidades de FV inclinada de Si policristalino, el PCM incorporado, el contenedor del aluminio secundario y el transporte involucrado.
Por último, otro aspecto a considerar es la degradación de cada FV, que varía en función de la temperatura de operación del sistema. Dentro del Estado 2, se diferenciaron 10 casos de estudio según la reducción de Tpv resultante de la incorporación de PCM. Así pues, se analizará su variabilidad en un rango de 1 a 10º C.
Cuanto mayor es la reducción de temperatura, la degradación prematura que sufre la FV será menor. Por ejemplo, una FV operando a 5º C menos que otra vería prolongada su vida útil casi el doble de años. Por tanto, se toma como criterio en el análisis que el Estado 1 queda como referencia y la influencia de la temperatura en la vida útil de las placas se toma en cuenta para el ACV al definir el sistema FV+PCM correspondiente al Estado 2, en función de la reducción de temperatura.
Una vez aplicada la metodología ACV, los resultados del impacto ambiental fueron agrupados en categorías incluidas en un reconocido método de evaluación llamado Recipe. Entre ellas, se va a destacar fundamentalmente el cambio climático, un indicador relacionado directamente con la huella de carbono (kg CO2 equivalente). No obstante, se consideran también otros indicadores de gran interés como el agotamiento de los recursos, la formación de contaminantes, la disminución de la capa de ozono, la toxicidad o la transformación del suelo.
Los resultados de cómo afecta la reducción paulatina de la temperatura en las categorías de impacto ambiental para el rango de temperatura antes mencionado, se pueden observar en la Figura 10, donde cada fila constituida por barras de color representa los grados de reducción de la temperatura. Primero, se puede apreciar que cuando Tpv disminuye 1º C (color rojo), el Estado 2 (PV/PCM) tiene valores de impacto ligeramente mayores que en el Estado 1 para las categorías MD (agotamiento recursos metálicos), WD (agotamiento de agua), ULO (ocupación suelo urbano) y TA (acidificación terrestre).
Exceptuando este único caso, para el resto de configuraciones analizadas se reduce el impacto ambiental en todos los indicadores considerados. Por ejemplo, cuando Tpv se reduce 5º C (color rosa), el sistema del Estado 2 supone una reducción de impacto cercana al 50% respecto al Estado 1 (sin PCM) para todas las categorías de impacto. Conforme esa reducción de temperatura aumenta, el impacto ambiental asociado se reduce congruentemente.
Figura 6. Resultados de la evaluación ambiental según categorías de impacto. Detalle de los valores de huella de carbono.
Si se enfoca la atención en el indicador de cambio climático (CC), representado en el detalle de la Figura 6, se ve reducido conforme mayor es la regulación de Tpv en relación al Estado 1 (barra negra). Para una reducción únicamente de 2º C (barra verde), las emisiones de CO2 equivalente ya disminuyen un 15%. Si esa cifra aumenta hasta 6º C (barra amarilla), las emisiones serían tan solo la mitad de las generadas por el Estado 1. Finalmente, considerando una reducción de Tpv de 10º C (barra granate), la huella de carbono disminuye hasta un 70% respecto a la FV sin incorporación de PCM, evitando así una gran cantidad de emisiones de gases efecto invernadero.
En conclusión, queda demostrado que el sistema FV/PCM consigue relevantes reducciones de impacto en las categorías ambientales analizadas, especialmente en la huella de carbono y sus positivas consecuencias sobre el cambio climático. También queda en evidencia su gran potencial de beneficio ambiental, sobre todo si se considera el área total mundial que actualmente hay instalada y las tendencias previstas de expandir el mercado FV.
Conclusiones
Actualmente, la aplicación de PCM en fotovoltaica es una línea muy reciente de trabajo que impulsa el sector en áreas como alternativas de diseño, innovación de materiales y reducción del impacto medioambiental.
Con la metodología propuesta en este trabajo se logra profundizar en el conocimiento del comportamiento de las variables de operación de un sistema FV con y sin PCM. Los resultados obtenidos muestran una reducción en la temperatura de operación y una mejora del rendimiento: cuando la temperatura de operación (Tpv/pcm) es reducida 8º C gracias al PCM, la eficiencia de conversión eléctrica (ηpv/pcm) mejora casi un 3% respecto al sistema sin PCM.
Sin embargo, la contribución más significativa de dicha disminución de Tpv/pcm es la reducción de la degradación prematura de los paneles, lo cual tiene un papel sustancial cuando se analiza su impacto a lo largo del ciclo de vida de la instalación fotovoltaica. El sistema FV/PCM respecto a una fotovoltaica convencional supone una disminución de la huella de carbono asociada (un 50% menos cuando Tpv se reduce 6º C), entre otras categorías de impacto ambiental. Adicionalmente, la prolongación del tiempo de vida útil conlleva una importante reducción del consumo de materiales y energía.
Como conclusión final, la aplicación de PCM en la operación de una FV puede considerarse como una solución innovadora con un potencial altamente relevante para la mejora de la eficiencia energética y medioambiental. Por ello, los investigadores de Circe continúan sus estudios acerca de esta solución innovadora, con presencia tanto nacional como internacional, y persiguen el objetivo de diseñar prototipos en colaboración con empresas interesadas del sector.
