La fenomenal caída en los costos de los paneles solares, que ha superado un increíble 99 por ciento desde la década de 1970, ha permitido la adopción masiva de sistemas fotovoltaicos en todo el mundo. Estos sistemas, que convierten la luz solar directamente en energía eléctrica, se han convertido en un pilar clave de la transición energética global. Sin embargo, detrás de esta impresionante reducción de precios no hay una sola innovación revolucionaria, sino una compleja red de avances técnicos derivados de diversos esfuerzos de investigación y sectores industriales, según revela una nueva investigación del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).

Este estudio detallado, que profundiza en las innovaciones específicas que han permitido una reducción de costos tan drástica, proporciona valiosos conocimientos. Sus conclusiones pueden ayudar a las empresas del sector de las energías renovables a tomar decisiones más eficaces sobre la inversión en investigación y desarrollo, mientras que pueden servir como guía para los responsables políticos a la hora de identificar áreas que deben ser incentivadas prioritariamente para acelerar el crecimiento de la producción e implementación de tecnologías solares.

Una compleja red de conocimiento e innovación

El modelado realizado por los investigadores muestra claramente que las innovaciones clave a menudo se originaron fuera del propio sector solar. Esto incluye avances en la fabricación de semiconductores, la metalurgia, la producción de vidrio, los procesos de perforación de petróleo y gas, los métodos de construcción e incluso en los marcos legales. La profesora Jessika Trancik del Instituto de Datos, Sistemas y Sociedad del MIT, autora principal del estudio, destaca la complejidad del proceso de mejora de costos. Según sus palabras, el progreso científico y de ingeniería, a menudo a un nivel muy fundamental, se encuentra en el corazón de estas reducciones de costos. Se ha extraído una gran cantidad de conocimiento de diversos dominios e industrias, y es precisamente esta red de conocimiento la que ha permitido la mejora de estas tecnologías.

En el trabajo, publicado en la revista PLOS ONE, a Trancik se unieron los coautores Goksin Kavlak, ex estudiante de posgrado y becaria postdoctoral del IDSS, ahora asociada sénior de energía en The Brattle Group; Magdalena Klemun, también ex estudiante de posgrado y becaria postdoctoral del IDSS, ahora profesora asistente en la Universidad Johns Hopkins; el ex becario postdoctoral del MIT Ajinkya Kamat; y Brittany Smith y Robert Margolis del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL).

Identificación de innovaciones clave

Esta investigación se basa en modelos matemáticos que los investigadores habían desarrollado previamente, los cuales permitieron separar los efectos de las tecnologías de ingeniería en los costos de los módulos y sistemas fotovoltaicos (FV). El objetivo de este estudio era profundizar aún más en los avances científicos que condujeron a la reducción de costos. Combinaron su modelo cuantitativo de costos con un análisis cualitativo detallado de las innovaciones que influyeron en los costos de los materiales de los sistemas FV, los pasos de fabricación y los procesos de implementación.

Goksin Kavlak explica que su modelo cuantitativo de costos guió el análisis cualitativo, permitiéndoles examinar de cerca las innovaciones en áreas que son difíciles de medir debido a la falta de datos cuantitativos. Basándose en trabajos anteriores que identificaron los impulsores clave de los costos –como el número de células solares por módulo, la eficiencia del cableado y el área de la oblea de silicio– los investigadores realizaron una búsqueda bibliográfica estructurada de innovaciones que pudieran afectar a estos impulsores. Luego agruparon estas innovaciones para identificar patrones, revelando grupos que redujeron los costos al mejorar los materiales o prefabricar componentes para simplificar la fabricación y la instalación. Finalmente, el equipo rastreó el origen industrial y el momento de cada innovación y consultó con expertos en el dominio para centrarse en las innovaciones más significativas.

En total, identificaron 81 innovaciones únicas que han afectado los costos de los sistemas FV desde 1970, desde mejoras en el vidrio antirreflectante hasta la implementación de interfaces de permisos totalmente en línea. Trancik señala que con las innovaciones siempre se puede ir a un nivel más profundo, hasta las técnicas de procesamiento de materias primas, por lo que fue un desafío saber cuándo detenerse. El modelo cuantitativo les ayudó en gran medida a fundamentar el análisis cualitativo.

Módulos y costos "blandos": Dos caras de los sistemas solares

Los investigadores decidieron separar los costos de los módulos FV de los llamados costos de equilibrio del sistema (BOS - Balance-of-System), que cubren aspectos como los sistemas de montaje, los inversores y el cableado. Los módulos FV, que se interconectan para formar paneles solares, se producen en masa y se pueden exportar, mientras que muchos componentes BOS se diseñan, construyen y venden a nivel local. Kavlak explica que al examinar las innovaciones a nivel de BOS y dentro de los módulos, identificaron diferentes tipos de innovaciones que surgieron en estas dos partes de la tecnología FV.

Los costos de BOS dependen más de las "tecnologías blandas" –elementos no físicos como los procedimientos de permisos, que han contribuido significativamente menos a la mejora de los costos de la FV hasta ahora en comparación con las innovaciones de hardware. Trancik destaca que a menudo se trata de retrasos. El tiempo es dinero, y los retrasos en las obras y los procesos impredecibles afectan a estos costos de equilibrio del sistema. Innovaciones como el software automatizado de permisos, que marca los sistemas que cumplen con el código para una aprobación acelerada, son prometedoras. Aunque aún no se han cuantificado en este estudio, el marco del equipo podría respaldar un análisis futuro de su impacto económico y de innovaciones similares que simplifican los procesos de implementación.

Por ejemplo, en Croacia y otros países de la Unión Europea, el proceso de obtención de permisos para plantas de energía solar a menudo ha sido largo y burocrático. La introducción de plataformas digitales para la presentación de solicitudes, la estandarización de la documentación y la aceleración de los procedimientos administrativos son clave para reducir estos costos "blandos". Tales cambios no solo reducen los gastos financieros, sino que también acortan el tiempo necesario para la realización de los proyectos, lo cual es extremadamente importante para los inversores y los usuarios finales.

Industrias interconectadas y transferencia de conocimiento

Los investigadores descubrieron que las innovaciones de las industrias de semiconductores, electrónica, metalurgia y petróleo desempeñaron un papel importante en la reducción de los costos de FV y BOS. Sin embargo, los costos de BOS también se vieron influenciados por innovaciones en ingeniería de software e ingeniería de energía eléctrica. Factores no relacionados con la innovación, como las ganancias en eficiencia por la compra masiva y la acumulación de conocimiento en la industria de la energía solar, también redujeron algunas variables de costos.

Además, mientras que la mayoría de las innovaciones en los paneles FV provinieron de organizaciones de investigación o de la industria, muchas innovaciones de BOS fueron desarrolladas por gobiernos municipales, estados de EE. UU. o asociaciones profesionales. Trancik expresó su sorpresa por la diversidad de todos estos campos y su estrecha interconexión, y por el hecho de que esta red se ve claramente a través de este análisis. Klemun agrega que la FV estaba muy bien posicionada para absorber innovaciones de otras industrias, gracias al momento adecuado, la compatibilidad física y las políticas de incentivo para adaptar las innovaciones a las aplicaciones de FV.

Esta transferencia de conocimiento, conocida como "knowledge spillovers", es crucial para un progreso rápido. Por ejemplo, las técnicas de mecanizado de precisión y automatización desarrolladas para la fabricación de microchips en la industria de semiconductores se aplicaron directamente a la producción de obleas de silicio para células solares, lo que permitió obtener células más delgadas, eficientes y baratas. Del mismo modo, los avances en metalurgia condujeron al desarrollo de nuevas aleaciones para los marcos y soportes de los paneles solares, que son más ligeras, duraderas y resistentes a la corrosión, reduciendo los costos de transporte e instalación. Las innovaciones en la fabricación de vidrio, como el desarrollo de vidrio con bajo contenido de hierro y recubrimientos antirreflectantes, mejoraron significativamente la transmisión de la luz y redujeron las pérdidas, aumentando así la eficiencia general de los paneles.

La revolución digital y el futuro de las tecnologías solares

El análisis también revela el papel que puede desempeñar una mayor potencia computacional en la reducción de los costos de BOS a través de avances como los sistemas automatizados para la revisión de ingeniería y el software para la evaluación remota de sitios. Klemun señala que, en términos de transferencia de conocimiento, lo que hemos visto hasta ahora en la FV puede ser solo el comienzo, lo que indica el creciente papel de la robótica y las herramientas digitales impulsadas por la inteligencia artificial para impulsar futuras reducciones de costos y mejoras de calidad.

La inteligencia artificial (IA) ya está transformando la industria solar. Los algoritmos de IA pueden optimizar el diseño de las granjas solares, predecir la producción de energía en función de las condiciones climáticas y los datos históricos, y gestionar la distribución de energía en la red. Los robots se utilizan cada vez más para el montaje automatizado de módulos, la instalación en campo e incluso para la limpieza y el mantenimiento de los paneles solares, reduciendo la necesidad de mano de obra humana y aumentando la seguridad. Los gemelos digitales (digital twins) –réplicas virtuales de plantas de energía solar físicas– permiten el monitoreo del rendimiento en tiempo real, la predicción de fallos y la optimización de la operación, lo que reduce aún más los costos operativos.

Además del análisis cualitativo, los investigadores mostraron cómo se puede utilizar esta metodología para evaluar el impacto cuantitativo de una innovación específica si se dispone de datos numéricos para introducir en la ecuación de costos. Por ejemplo, utilizando información sobre los precios de los materiales y los procesos de fabricación, estiman que el corte con hilo (wire sawing), una técnica introducida en la década de 1980, condujo a una reducción total de los costos del sistema FV de 5 dólares por vatio al reducir las pérdidas de silicio y aumentar el rendimiento durante la producción. Esta técnica permitió cortar lingotes de silicio en obleas mucho más delgadas con menos desperdicio, lo que influyó directamente en la reducción de los costos por vatio.

Lecciones para el futuro y aplicación más amplia

Trancik enfatiza que a través de este análisis retrospectivo se aprende algo valioso para la estrategia futura porque se puede ver qué funcionó y qué no, y los modelos también se pueden aplicar de forma prospectiva. También es útil saber qué sectores adyacentes pueden ayudar a respaldar la mejora de una tecnología en particular. En el futuro, los investigadores planean aplicar esta metodología a una amplia gama de tecnologías, incluidos otros sistemas de energía renovable como turbinas eólicas, sistemas geotérmicos y sistemas de almacenamiento de energía. También quieren estudiar más a fondo las "tecnologías blandas" para identificar innovaciones o procesos que podrían acelerar la reducción de costos.

Aunque el proceso de innovación tecnológica puede parecer una "caja negra", los investigadores han demostrado que se puede estudiar como cualquier otro fenómeno. Comprender las complejas interacciones entre diferentes industrias, disciplinas científicas y marcos regulatorios es clave para un mayor progreso en el desarrollo e implementación de tecnologías de energía limpia. Este estudio del MIT proporciona un marco sólido para analizar los éxitos pasados y guiar los esfuerzos futuros, asegurando que el camino hacia un futuro energético sostenible sea lo más eficiente y rentable posible.