Energía solar fotovoltaicaDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a: navegación, búsqueda

Célula solar monocristalina durante su fabricación.

Estación de servicio móvil en Francia que recarga la energía de los coches eléctricos mediante energía fotovoltaica.

La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable [1] obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamado célula solar de película fina.[2]

Este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.[3] [4]

Entre los años 2001 y 2012 se ha producido un crecimiento exponencial de la producción de energía fotovoltaica, doblándose aproximadamente cada dos años.[5] Si esta tendencia continúa, la energía fotovoltaica cubriría el 10% del consumo energético mundial en 2018, alcanzando una producción aproximada de 2.200 TWh,[6] y podría llegar a proporcionar el 100% de las necesidades energéticas actuales en torno al año 2027.[7]

A finales de 2012, se habían instalado en todo el mundo más de 100 GW de potencia fotovoltaica.[8] Gracias a ello la energía solar fotovoltaica es actualmente, después de las energías hidroeléctrica y eólica, la tercera fuente de energía renovable más importante en términos de capacidad instalada a nivel global, y supone ya una fracción significante del mix eléctrico en la Unión Europea, cubriendo de media el 3-5% de la demanda y en torno al 6-9% en los períodos de mayor producción, en países como Alemania, Italia o España.[9] [10] [11] [12] [13]

Gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales,[14] aumentando a su vez la eficiencia, y logrando que su coste medio de generación eléctrica sea ya competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.[15] [16] [17] Programas de incentivos económicos, primero, y posteriormente sistemas de autoconsumo fotovoltaico y balance neto sin subsidios, han apoyado la instalación de la fotovoltaica en un gran número de países, contribuyendo a evitar la emisión de una mayor cantidad de gases de efecto invernadero.[18]

La tasa de retorno energético de esta tecnología, por su parte, es cada vez menor. Con la tecnología actual, los paneles fotovoltaicos recuperan la energía necesaria para su fabricación en un período comprendido entre 6 meses y 1,4 años; teniendo en cuenta que su vida útil media es superior a 30 años, producen electricidad limpia durante más del 95% de su ciclo de vida.[19]

Índice

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1 Historia o 1.1 Primeras aplicaciones: energía solar espacial

2 Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica 3 La energía fotovoltaica en España

o 3.1 Situación actual en España 4 La fotovoltaica en el resto del mundo

o 4.1 Alemania o 4.2 Italia o 4.3 China o 4.4 Estados Unidos o 4.5 Japón o 4.6 Resto de países

5 Plantas fotovoltaicas de conexión a red o 5.1 Plantas de concentración fotovoltaica

6 Componentes de una planta solar fotovoltaica o 6.1 Paneles solares fotovoltaicos o 6.2 Inversores o 6.3 Seguidores solares o 6.4 Cableado

7 Autoconsumo y Balance neto 8 Eficiencia y costos

o 8.1 Energía fotovoltaica de capa fina o Thin film 9 Reciclaje de módulos fotovoltaicos 10 Véase también 11 Referencias 12 Bibliografía 13 Enlaces externos

o 13.1 Módulos de capa fina

Historia [editar]

El término "fotovoltaico" proviene del griego φώς:phos, que significa "luz", y voltaico, que proviene del campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el término voltio a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en Reino Unido desde el año 1849.[20]

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel,[21] [22] pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%.[23] Los estudios realizados en el siglo XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla y Heinrich Hertz sobre inducción electromagnética, fuerzas eléctricas y ondas electromagnéticas, y sobre todo los de Albert Einstein en 1905, proporcionaron la base teórica al efecto fotoeléctrico,[24] que es el fundamento de la conversión de energía solar a electricidad.

Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946,[25] aunque Sven Ason Berglund había patentado con anterioridad, en 1914, un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles.

La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios Bell,[26] descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a la luz. Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera célula solar comercial con una conversión de la energía solar de, aproximadamente, el 6%.[27] [28]

La Estación Espacial Internacional, que obtiene su energía a través de paneles fotovoltaicos, fotografiada contra la negrura del espacio y la delgada línea de la atmósfera de la Tierra.

Detalle de los paneles solares fotovoltaicos de la Estación Espacial Internacional.

Primeras aplicaciones: energía solar espacial [editar]

Artículo principal: Energía solar espacial.

Al principio, las células fotovoltaicas se emplearon de forma minoritaria para alimentar eléctricamente juguetes y en otros usos menores, dado que el coste de producción de electricidad mediante estas células primitivas era demasiado elevado: en términos relativos, una célula que produjera un vatio de energía mediante luz solar podía costar 250 dólares, en comparación con los 2 o 3 dólares que costaba un vatio procedente de una central termoeléctrica de carbón.

Las células fotovoltaicas fueron rescatadas del olvido gracias a la carrera espacial y a la sugerencia de utilizarlas en uno de los primeros satélites puestos en órbita alrededor de la Tierra. La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y Estados Unidos le seguiría un año después. La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite norteamericano Vanguard 1, lanzado en marzo de 1958 (hoy en día el satélite más antiguo aún en órbita). En el diseño de éste se usaron células solares creadas por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics.[29] El sistema fotovoltaico le permitió seguir transmitiendo durante siete años mientras que las baterías químicas se agotaron en sólo 20 días.[30]

Pocos años después, en 1962, el Telstar se convirtió en el primer satélite de comunicaciones equipado con células solares, que eran capaces de proporcionar una potencia de 14 W.[31] Este hito generó un gran interés en la producción y lanzamiento de satélites geoestacionarios para el desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles fotovoltaicos.[32]

Gradualmente, la industria espacial se decantó por el uso de células solares de arseniuro de galio (GaAs), debido a su mayor eficiencia frente a las células de silicio. En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio y altamente eficiente se desarrolló en la extinta Unión Soviética por Zhorés Alfiórov y su equipo de investigación.[33] [34]

A partir de 1971, las estaciones espaciales soviéticas del programa Salyut fueron los primeros complejos orbitales tripulados en obtener su energía a partir de células solares, acopladas en estructuras a los laterales del módulo orbital,[35] al igual que la estación norteamericana Skylab, pocos años después.[36]

En la década de 1970, tras la primera crisis del petróleo, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la NASA (agencia espacial de este mismo país) iniciaron el estudio del concepto de energía solar en el espacio, que ambicionaba el abastecimiento energético terrestre mediante satélites espaciales. En 1979 propusieron una flota de satélites en órbita geoestacionaria, cada uno de los cuales mediría 5 x 10 km y produciría entre 5 y 10 GW. La construcción implicaba la creación de una gran factoría espacial donde trabajarían continuamente cientos de astronautas. Este gigantismo era típico de una época en la que se proyectaba la creación de grandes ciudades espaciales. Dejando aparte las dificultades técnicas, la propuesta fue desechada en 1981 por implicar un coste disparatado.[37] A mediados de los años 80, con el petróleo de nuevo en precios bajos, el programa fue cancelado.[38]

No obstante, las aplicaciones fotovoltaicas en los satélites espaciales continuaron su desarrollo. La producción de equipos de deposición química de metales por vapores orgánicos o MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition),[39] no se desarrolló hasta la década de 1980, limitando la capacidad de las compañías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio. La primera compañía que manufacturó paneles solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una eficiencia de AM0 (Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar Energy Corporation). Las células de doble unión comenzaron su producción en cantidades industriales por ASEC en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs sobre los sustratos de GaAs, a GaAs sobre sustratos de germanio.

Ilustración de la sonda Mars Reconnaissance Orbiter, equipada con paneles solares fotovoltaicos en la órbita de Marte.

La tecnología fotovoltaica, si bien no es la única que se utiliza, sigue predominando actualmente en los satélites de órbita terrestre.[40] Por ejemplo, las sondas Magallanes, Mars Global Surveyor y Mars Observer, de la NASA, usaron paneles fotovoltaicos,[41] [42] [43] así como el Telescopio espacial Hubble,[44] en órbita alrededor de la Tierra. La Estación Espacial Internacional, también en órbita terrestre, está dotada de grandes sistemas fotovoltaicos que alimentan todo el complejo espacial,[45] [46] al igual que en su día la estación espacial Mir.[47] Otros vehículos espaciales que utilizan la energía fotovoltaica para abastecerse son la sonda Mars Reconnaissance Orbiter,[48] y Spirit y Opportunity, los robots de la NASA en Marte.[49] [50]

La nave Rosetta, lanzada en 2004 en órbita hacia un cometa tan lejano del Sol como el planeta Júpiter (5,25 AU), dispone también de paneles solares;[51] anteriormente el uso más lejano de la energía solar espacial había sido el de la sonda Stardust,[52] a 2 AU. La energía fotovoltaica se ha empleado también con éxito en la misión europea no tripulada a la Luna, SMART-1, proporcionando energía a su propulsor de efecto Hall.[53] La sonda espacial Juno será la primera misión a Júpiter en usar paneles fotovoltaicos en lugar de un generador termoeléctrico de radioisótopos, tradicionalmente usados en las misiones espaciales al exterior del Sistema Solar.[54] Actualmente se está estudiando el potencial de la fotovoltaica para equipar las naves espaciales que orbiten más allá de Júpiter.[55]

Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica [editar]

Parquímetro abastecido mediante energía solar fotovoltaica, en Hannover, Alemania.

Desde su aparición en la industria aeroespacial, donde se ha convertido en el medio más fiable para suministrar energía eléctrica en los vehículos espaciales,[56] la energía solar fotovoltaica ha desarrollado un gran número de aplicaciones terrestres. La producción industrial a gran escala de paneles fotovoltaicos comenzó en la década de los 80, y entre sus múltiples usos se pueden destacar:

Centrales conectadas a red para suministro eléctrico.[57]

Sistemas de autoconsumo fotovoltaico. Electrificación de pueblos en áreas remotas (electrificación rural).[58]

Suministro eléctrico de instalaciones médicas en áreas rurales. Corriente eléctrica para viviendas aisladas de la red eléctrica.[59]

Sistemas de comunicaciones de emergencia.[59]

Estaciones repetidoras de microondas y de radio.[59]

Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.[59]

Faros, boyas y balizas de navegación marítima.[59]

Bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el ganado.[59] [60]

Balizamiento para protección aeronáutica.[59]

Sistemas de protección catódica.[59]

Sistemas de desalinización.[59]

Vehículos de recreo.[59]

Señalización ferroviaria .[59]

Sistemas de carga para los acumuladores de barcos. Postes de SOS (Teléfonos de emergencia en carretera).[59]

Parquímetros .[61] [62]

Recarga de vehículos eléctricos.[63]

En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como señalización de vías públicas, estaciones meteorológicas o repetidores de comunicaciones, las placas fotovoltaicas se emplean como alternativa económicamente viable. Para comprender la importancia de esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta parte de la población mundial todavía no tiene acceso a la energía eléctrica.[64]

La energía fotovoltaica en España [editar]

Mapa de radiación solar en España.

Fachada fotovoltaica en el edificio MNACTEC (Tarrasa, España).Véase también: Energía solar en España.

España es uno de los países de Europa con mayor irradiación anual.[40] Esto hace que la energía solar sea en este país más rentable que en otros. Regiones como el norte de España, que generalmente se consideran poco adecuadas para la energía fotovoltaica, reciben más irradiación anual que la media en Alemania, país que mantiene desde hace años el liderazgo en la promoción de la energía solar fotovoltaica.[40]

La primera instalación fotovoltaica conectada a red en España fue la planta piloto de 100 kWp que Iberdrola instaló en San Agustín de Guadalix en 1984.[65] Sin embargo, durante la década de 1980, el mercado fotovoltaico en España se ciñó al abastecimiento de aplicaciones aisladas. No fue hasta 1993 cuando se pudieron instalar otros cuatro sistemas de conexión a red, cada uno de 2,7 kWp, en unas viviendas particulares de Pozuelo de Alarcón.[65] A éstos le siguieron otros proyectos de demostración: 42 kWp en una escuela de Menorca, 13,5 kWp en el Instituto de Energía Solar de la Universidad

Politécnica de Madrid, y 53 kWp en la Biblioteca de Mataró, siendo el más importante la planta “Toledo-PV”, de 1 MW de potencia, que también fue conectada a la red en 1993.[65]

A finales de 1995 la potencia total sumaba 1,6 MW,[66] a pesar de que ninguno de los sistemas mencionados estuviera incorporado legalmente en el contexto general del sistema eléctrico. Al no existir una normativa específica que los regulase, se encontraban en una especie de vacío legal.

En 1998, en concordancia con las medidas de apoyo a las energías renovables que se estaban llevando a cabo en el resto de Europa, el Gobierno aprobó el Real Decreto 2818/1998[67] que reconocía la necesidad de un tratamiento específico para esta alternativa energética, estableciendo unas primas de 30 y 60 pesetas (0,18 y 0,36 €) por kWh vertido a la red, para sistemas con potencia nominal superior e inferior a 5 kWp, respectivamente. En el año 2000, sólo dos sistemas habían logrado acceder a esas primas, y el Gobierno publicó un nuevo Real Decreto, el 1663/2000,[68] que estableció condiciones técnicas y administrativas específicas, y supuso el inicio de un lento despegue de la fotovoltaica en España.

El verdadero marco regulador que impulsó definitivamente el desarrollo de centrales solares fotovoltaicas conectadas a la red fue el Real Decreto 436/2004[69] y el RD 661/2007,[70] en el que se estipulaba una prima de 0,44 € por cada kWh fotovoltaico que se inyectaba a la red.

Gracias a esta regulación, España fue en el año 2008 uno de los países con más potencia fotovoltaica instalada del mundo, con 2.708 MW instalados en un sólo año. Sin embargo, a partir del 30 de septiembre de 2008 esta actividad quedó regulada mediante el RD 1578/2008[71] de retribución fotovoltaica, que estableció unas primas variables en función de la ubicación de la instalación (suelo: 0,32 €/kWh o tejado: 0,34 €/kWh), estando sujetas además a un cupo máximo de potencia anual instalada a partir de 2009 que se adaptaría año a año en función del comportamiento del mercado.

Estas modificaciones en la legislación del sector ralentizaron la construcción de nuevas plantas fotovoltaicas, de tal forma que en 2009 se instalaron tan sólo 19 MW, en 2010 420 MW y en 2011 se instalaron 354 MW correspondiendo al 2% del total de la Unión Europea.[9] En términos de producción energética, en 2010, la energía fotovoltaica cubrió en España aproximadamente el 2% de la generación de electricidad.[72] Mientras que en 2011 representó el 2,9% de la generación eléctrica, según datos del operador, Red Eléctrica.

A finales de 2011 se aprobó el Real decreto por el que se estableció la regulación de las condiciones administrativas, técnicas y económicas de la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia.[73] Sin embargo, todavía se espera que se apruebe la norma que desarrolle las condiciones técnicas necesarias para dichas conexiones y la regulación de un modelo de balance neto adecuado a las características del sistema eléctrico nacional.[74]

Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de permisos de la administración y la autorización de la compañía eléctrica distribuidora de la zona. Ésta tiene la obligación de dar punto de enganche o conexión a la red eléctrica, pero en la

práctica el papeleo y la reticencia de las eléctricas están frenando el impulso de las energías renovables en general, y de la energía fotovoltaica en particular. Las eléctricas buscan motivos técnicos, como la saturación de la red, para controlar sus intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de bloquear la iniciativa de los pequeños productores de energía solar fotovoltaica.[75] [76] [77]

Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión Europea para impulsar las energías limpias, por una parte, y en España, la realidad de una escasa liberalización del sector energético que impide el despegue y la libre competitividad de las energías renovables. A principios de 2013 la potencia instalada en España ascendía a 4.381 MW.[78]

Situación actual en España [editar]

En enero de 2012 el Gobierno del Partido Popular aprobó el Real Decreto Ley 1/2012[79]

por el que se procedió a la suspensión de forma indefinida de los cupos del Régimen Especial de energía, es decir, los procedimientos de preasignación de retribución y de los incentivos económicos para nuevas instalaciones fotovoltaicas y demás energías renovables.[79] En la práctica este RDL supuso que las nuevas plantas fotovoltaicas que no estuvieran inscritas en cupos no recibirán prima alguna pero podrán vender la energía a precio de mercado.

Tal regulación supuso un gran freno al desarrollo de la energía fotovoltaica y agravó la crisis del sector renovable iniciada en el año 2010, cuando el anterior Gobierno socialista aprobó dos regulaciones, una que limitaba la percepción de primas hasta el límite del año 25 (RD 1565/2010, de 19 de noviembre) y la última, que fue publicada el día de Navidad, 24 de diciembre de 2010, en la que se limitaba el número de horas susceptibles de pago, llegando a establecerse un recorte retroactivo de un 30% sobre lo prometido anteriormente. Se hizo mediante un Real Decreto Ley (el 14/2010 de 24 de diciembre) por lo que se impide su tramitación en los juzgados de forma directa al no poderse utilizar la vía del recurso de inconstitucionalidad de forma directa por los administrados. Sí, en cambio, quedan medidas como las efectuadas por fondos de inversión europeos mediante un arbitraje,[80] recurso de inconstitucionalidad por parte del Gobierno de la Región de Murcia [81] y manifestaciones vertidas por el comisario europeo Günther Oettinger en el sentido de no querer tolerar medidas retroactivas que, por su naturaleza, conllevan un fenómeno de inseguridad jurídica que hace quebrar para el extranjero la confianza en el mercado español.[82]

La fotovoltaica en el resto del mundo [editar]

Mapamundi de radiación solar. Los pequeños puntos en el mapa muestran el área total de fotovoltaica necesaria para cubrir la demanda mundial de energía usando paneles solares con una eficiencia del 8%.

Producción mundial de células solares por región.[83]

Históricamente, los Estados Unidos lideraron la instalación de energía fotovoltaica desde sus inicios hasta 1997, cuando fueron alcanzados por Japón, que mantuvo el liderato hasta que Alemania la sobrepasó en 2005, manteniendo esa posición desde entonces. Actualmente Alemania es, junto a Italia, Japón, China y Estados Unidos, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando actualmente un crecimiento más vertiginoso.

Alemania [editar]

Alemania es uno de los líderes mundiales en la instalación de energía fotovoltaica, con una potencia instalada a finales de 2012 superior a los 32 gigavatios (GW). Sólo en 2011, Alemania instaló cerca de 7.5 GW,[84] y la fotovoltaica produjo 18 TW·h de electricidad, el 3% del total consumido en el país.[85] [12]

Durante dos días consecutivos de mayo de 2012, las plantas solares fotovoltaicas instaladas en Alemania produjeron 22.000 MWh en la hora del mediodía, lo que equivale a la potencia de generación de 20 centrales nucleares trabajando a plena

capacidad.[86] Y estas cifras siguen creciendo: debido al incremento de la potencia fotovoltaica instalada en el país, de enero a septiembre de 2012 el 6,1% de la demanda de electricidad alemana fue cubierta con energía producida por sistemas fotovoltaicos, según la Asociación alemana de las industrias energéticas e hídricas (BDEW).

A comienzos de verano de 2011, el Gobierno alemán anunció que el esquema actual de tarifa regulada concluiría cuando la potencia instalada alcanzase los 52 GW. Cuando esto suceda, Alemania aplicará un nuevo esquemas de tarifa de inyección cuyos detalles no se conocen todavía.[87]

Italia [editar]

La potencia instalada fotovoltaica en Italia alcanzó los 15,9 GW distribuidos entre 448.266 plantas por todo el país, en octubre de 2012, gracias al programa de incentivos llamado Conto Energia.[88] Este programa cuenta con un presupuesto total de 6.700 millones de €, alcanzado dicho límite el Gobierno dejará de incentivar las nuevas instalaciones, al haberse alcanzado la paridad de red.

Desde el pasado agosto de 2012 está vigente una nueva legislación que obliga a registrar todas las plantas superiores a 12 kW; las de potencia menor –fotovoltaica de tejado en residencias- están exentas de registro.[89]

Durante 2012, la producción fotovoltaica proporcionó en Italia el 5,6% del total de la energía consumida en el país durante el año.[13]

China [editar]

La energía fotovoltaica es una de las mayores industrias de la República Popular China. El país asiático cuenta con unas 400 empresas fotovoltaicas y produce aproximadamente el 23% de los productos fotovoltaicos que se fabrican en el mundo.[90]

A finales de 2011 China dobló su potencia fotovoltaica instalada respecto al año anterior, hasta alcanzar los 2.900 MW. Este incremento en la potencia instalada se debió, principalmente, a un crecimiento en el número de instalaciones residenciales. Asimismo, la tarifa de inyección bajó hasta 0,80 yuanes por kWh, lo que significó llegar al mismo nivel de las tarifas aplicables a las plantas de carbón.[91]

Estados Unidos [editar]

Estados Unidos es un país de considerable actividad en el mercado fotovoltaico, y cuenta con numerosas plantas de conexión a red. La mayor instalación del mundo (Agua Caliente Solar Project), con una potencia total de 247 MW, se encuentra en Yuma County, Arizona, Estados Unidos. [92]

Hay planes para construir plantas mucho mayores. En este sentido, el gobernador de California Jerry Brown ha firmado una legislación requiriendo que el 33% de la electricidad del estado se genere mediante energías renovables a finales de 2020.[93]

Japón [editar]

La energía fotovoltaica en Japón, se ha expandido rápidamente desde la década de 1990. El país es uno de los líderes en la manufactura de módulos fotovoltaicos y se encuentra entre los 5 primeros en potencia instalada, con 4.914 MW a finales de 2011, tan sólo por detrás de Alemania e Italia,[9] la mayor parte conectada a red.[94] [95] [96] La irradiación en Japón es óptima, situándose entre 4,3 y 4,8 kWh/(m²·día).

La venta de módulos fotovoltaicos para proyectos comerciales ha crecido rápidamente tras la introducción por parte del Gobierno japonés de Feed-in tariff para el incentivo de la fotovoltaica tras el accidente nuclear de Fukushima. Más de 1.072 megavatios de células y módulos fotovoltaicos se han vendido durante el primer semestre del 2012, según se desprende de los datos de la asociación japonesa de energía fotovoltaica JPA (Japan Photovoltaic Energy Association).[97]

La mayoría de ese volumen, 737,6 megavatios, procede de fabricantes locales, mientras que 334,6 megavatios fueron importados. Más del 77 por ciento de las células y módulos vendidos en Japón entre el 1 de abril y el 30 de septiembre de 2012 tuvieron como destino proyectos residenciales, mientras que cerca del 9 por ciento se emplearon en instalaciones fotovoltaicas comerciales. Esto obedece, en parte, a la introducción de un generoso esquema de tarifa de inyección (feed-in tariff, FiT) el pasado 1 de julio de 2012.[98]

Resto de países [editar]

En la siguiente tabla se muestra el detalle de la potencia mundial instalada, desglosada por cada país, desde el año 2000 hasta finales de 2012:

Potencia total instalada (MWp) por país[9] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105]

País

Total

2000

Total

2001

Total

2002

Total

2003

Total

2004

Total2005

Total2006

Total2007

Total2008

Total2009

Total2010

Total2011[106]

Total2012

Total mundial

1.425

1.753

2.220

2.798

3.911

5.340 6.915 9.44315.77

223.21

039.77

869.684

102.024[107] [108]

Unión Europea

154 248 389 5901.29

72.299 3.285 5.257

10.554

16.357

29.328

51.36068.110[109]

Alemania113,

7194,

6278 431

1.034

1.926 2.7593.835

,55.340 9.959

17.320

24.87532.509[110]

Italia 19 20 22 26 30,7 37,5 50 120,2 458,3 1.157 3.502 12.76416.987[108]

Estados Unidos

138,8

167,8

212,2

275,2

376 479 624 830,51.168

,51.255

,72.519 4.383 8.683[111]

China - - - - - - - - - - 893 3.0938.043[112]

[108]

Japón330,

2452,

8636,

8859,

61.13

21.421

,91.708

,51.918

,92.144 2.627 3.617 4.914

6.704[113]

[108]

España 2 4 7 12 23 48 145 693 3.354 3.438 3.892 4.214 4.381[78]

Francia11,3 13,9 17,2 21,1 26 33 43,9 75,2 179,7 335,2 1.025 2.831 3.923[114]

- - - - - - - - - 574 803 2.018 2.678[109]

Potencia total instalada (MWp) por país[9] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105]

País

Total

2000

Total

2001

Total

2002

Total

2003

Total

2004

Total2005

Total2006

Total2007

Total2008

Total2009

Total2010

Total2011[106]

Total2012

Bélgica

Australia29,2 33,6 39,1 45,6 52,3 60,6 70,3 82,5 104,5 183,6 504 1.298

2.291[115]

[108]

Reino Unido

1,9 2,7 4,1 5,9 8,2 10,9 14,3 18,1 22,5 29,6 72 1.014 2.114[109]

República Checa

- - - - - - - - - 463,3 1.953 1.960 2.085[116]

India - - - - - - - - - - 189 461 1.888[108]

Grecia - - - - - - - - - 55 206 631 1.234[117]

Bulgaria- - - - - - - - - 5,7 18 133 1.066[108]

Corea del Sur

4 4,8 5,4 6 8,5 13,5 35,8 81,2 357,5 441,9 662 754

Canadá7,2 8,8 10 11,8 13,9 16,7 20,5 25,8 32,7 94,6 200 563

Eslovaquia

- - - - - - - - - 0,2 145 488

Dinamarca

1,5 1,5 1,6 1,9 2,3 2,7 2,9 3,1 3,3 4,6 7,1 17 400[118]

Suiza 15,3 17,6 19,5 21 23,1 27,1 29,7 36,2 47,9 73,6 111 216 356[119]

Israel - - - - 0,9 1 1,3 1,8 3 24,5 66 196

Ucrania- - - - - - - - - - 3 190

Austria 4,9 6,1 10,3 16,8 21,1 24 25,6 27,7 32,4 52,6 103 176

Portugal1,1 1,3 1,7 2,1 2,7 3 3,4 17,9 68 102,2 131 144

Holanda12,8 20,5 26,3 45,7 49,2 50,7 52,2 52,8 57,2 67,5 97 118

Taiwán- - - - - - - - - - 32 102

Eslovenia- - - - - - - - - 9 36 90

Sudáfrica- - - - - - - - - - 40 41

México13,9 15 16,2 17,1 18,2 18,7 19,7 20,8 21,8 25 30 40

Brasil - - - - - - - - - - 27 32

Luxemburgo

- - - - - - - - - 27 27 31

Suecia 2,8 3 3,3 3,6 3,9 4,2 4,8 6,2 7,9 8,8 10 19

Potencia total instalada (MWp) por país[9] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105]

País

Total

2000

Total

2001

Total

2002

Total

2003

Total

2004

Total2005

Total2006

Total2007

Total2008

Total2009

Total2010

Total2011[106]

Total2012

Malasia- - - - - - 5,5 7 8,8 11,1 15 15

Finlandia- - - - - - - - - - 9,6 11

Chipre - - - - - - - - - 3,3 6,2 10

Noruega6 6,2 6,4 6,6 6,9 7,3 7,7 8 8,3 8,7 9,2 9,2

Argentina- - - - - - - - - - 1,2 6,2

Turquía0,4 0,6 0,9 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 4,0 5,0 6,0 6,0

Potencia fotovoltaica instalada en el mundo. Datos históricos hasta 2011 y previsión hasta 2016.

Plantas fotovoltaicas de conexión a red [editar]

Categoría principal: Centrales de energía solar fotovoltaica.

Parque solar Lauingen Energy Park, de 25,7 MW en Suabia (Baviera, Alemania)

Parque solar en Waldpolenz, Alemania

En Europa y en el resto del mundo se han construido un gran número de centrales fotovoltaicas a gran escala.[57] En julio de 2012, las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo eran, por este orden:[57]

Proyecto País PotenciaAgua Caliente Solar Project Estados Unidos 247 MWCharanka Solar Park India 214 MWGolmud Solar Park China 200 MWPerovo Solar Park Ucrania 100 MWSarnia Photovoltaic Power Plant Canadá 97 MWBrandenburg-Briest Solarpark Alemania 91 MWSolarpark Finow Tower Alemania 84.7 MWMontalto di Castro Photovoltaic Power Station Italia 84.2 MWEggebek Solar Park Alemania 83.6 MWSenftenberg Solarpark Alemania 82 MWFinsterwalde Solar Park Alemania 80.7 MWOkhotnykovo Solar Park Ucrania 80 MWLopburi Solar Farm Tailandia 73.16 MWRovigo Photovoltaic Power Plant Italia 72 MWLieberose Photovoltaic Park Alemania 71.8 MW

Actualmente hay también otras muchas plantas aún mayores en construcción. Las plantas Desert Sunlight Solar Farm en Riverside County y Topaz Solar Farm en San Luis Obispo County (ambas en California, Estados Unidos) tendrán una potencia de 550 MW.[120] El proyecto Blythe Solar Power consiste en una planta fotovoltaica de 500 MW, situada también en Riverside County. Por su parte, el California Valley Solar Ranch (CVSR) es una planta de 250 MW actualmente en construcción en el valle de California.[121] En 2013 se completará también el proyecto de First Solar en Antelope Valley, en el desierto de Mojave.[122] Otro proyecto, Mesquite Solar, cuya primera fase tendrá una capacidad de 150 MW se está construyendo en Arlington (Arizona, Estados Unidos).[123]

En lo que respecta a instalaciones sobre cubierta, en junio de 2008 General Motors anunció la construcción de la que hasta hoy sigue siendo la mayor planta de energía fotovoltaica sobre techo del mundo en Figueruelas (Zaragoza), con 11,8 MW de potencia. Cuenta con una extensión de 183.000 metros cuadrados y supuso 50 millones de euros de inversión. En el proyecto colaboraron la Comunidad de Aragón, la empresa francesa Veolia Environnement y el grupo estadounidense Clairvoyant Energy.[124]

Plantas de concentración fotovoltaica [editar]

Artículo principal: Energía solar fotovoltaica de concentración.

Otro tipo de tecnología en las plantas fotovoltaicas son las que utilizan una tecnología de concentración llamada CPV por sus siglas en inglés (Concentrated Photovoltaics)[125]

para maximizar la energía solar recibida por la instalación, al igual que en una central térmica solar. Las instalaciones de concentración fotovoltaica se sitúan en emplazamientos de alta irradiación solar directa, como son los países a ambas riberas del Mediterráneo, Australia, Estados Unidos, China, Sudáfrica, México, etc. Hasta el año 2006 estas tecnologías formaban parte del ámbito de investigación, pero en los últimos años se han puesto en marcha instalaciones de mayor tamaño como la de ISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentración) en Puertollano (Castilla La Mancha) con 3 MW suministrando electricidad a la red eléctrica.[126] [127] [128]

La idea básica de la concentración fotovoltaica es la sustitución de material semiconductor por material reflectante o refractante (más barato). El grado de concentración puede alcanzar un factor de 1000,[125] de tal modo que, dada la pequeña superficie de célula solar empleada, se puede utilizar la tecnología más eficiente (triple unión, por ejemplo). Por otro lado, el sistema óptico introduce un factor de pérdidas que hace recuperar menos radiación que la fotovoltaica plana. Esto, unido a la elevada precisión de los sistemas de seguimiento, constituye la principal barrera a resolver por la tecnología de concentración.

Recientemente se ha anunciado el desarrollo de plantas de grandes dimensiones (por encima de 1 MW).[129] Las plantas de concentración fotovoltaica utilizan un seguidor de doble eje para posibilitar un máximo aprovechamiento del recurso solar durante todo el día.

Componentes de una planta solar fotovoltaica [editar]

Una planta solar fotovoltaica cuenta con distintos elementos que permiten su funcionamiento, como son los paneles fotovoltaicos para la captación de la radiación solar, y los inversores para la transformación de la corriente continua en corriente alterna.[130] Existen otros, los más importantes se mencionan a continuación:

Paneles solares fotovoltaicos [editar]

Célula fotovoltaicaArtículo principal: Panel fotovoltaico.

Generalmente, un módulo o panel fotovoltaico consiste en una asociación de células, encapsulada en dos capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre una lámina frontal de vidrio y una capa posterior de un polímero termoplástico (frecuentemente se emplea el tedlar) u otra lámina de cristal cuando se desea obtener módulos con algún grado de transparencia.[131] Muy frecuentemente este conjunto es enmarcado en una estructura de aluminio anodizado con el objetivo de aumentar la resistencia mecánica del conjunto y facilitar el anclaje del módulo a las estructuras de soporte.[131]

Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de silicio, y se puede dividir en tres subcategorías:

Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristal de silicio, normalmente manufacturado mediante el proceso Czochralski.[132] Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.

Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso.

Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también menos costosas. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras.[133]

Inversores [editar]

Un inversor solar instalado en una planta de conexión a red en Speyer, Alemania.Artículo principal: Inversor (electrónica).

La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparato electrónico llamado inversor [130] e inyectar en la red eléctrica (para venta de energía) o bien en la red interior (para autoconsumo).

El proceso, simplificado, sería el siguiente:

Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente continua. Se transforma con un inversor en corriente alterna. En plantas de potencia inferior a 100 kW se inyecta la energía directamente a la

red de distribución en baja tensión (230V). Y para potencias superiores a los 100 kW se utiliza un transformador para elevar

la energía a media tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las redes de transporte para su posterior suministro.

Seguidores solares [editar]

Planta solar situada en la Base de la Fuerza Aérea Nellis (Nevada, Estados Unidos). Estos paneles siguen el recorrido del Sol sobre un eje.Artículo principal: Seguidor solar.

El uso de seguidores a uno o dos ejes permite aumentar considerablemente la producción solar, en torno al 30% para los primeros y un 6% adicional para los segundos, en lugares de elevada radiación directa.[134] [135]

Los seguidores solares son bastante comunes en aplicaciones fotovoltaicas.[136] Existen de varios tipos:

En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al Sol. En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un

ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

En un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol.

En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

Cableado [editar]

Artículo principal: Conductor eléctrico.

Es el elemento que transporta la energía eléctrica desde su generación, para su posterior distribución y transporte. Su dimensionamiento viene determinado por el criterio más restrictivo entre la máxima caída de tensión admisible y la intensidad máxima admisible. Aumentar las secciones de conductor que se obtienen como resultado de los cálculos teóricos aporta ventajas añadidas como:

Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables. Posibilidad de aumento de potencia de la planta sin cambiar el conductor. Mejor respuesta a posibles cortocircuitos. Mejora del performance ratio (PR) de la instalación.

Autoconsumo y Balance neto [editar]

Artículo principal: Autoconsumo fotovoltaico.Artículo principal: Balance neto.

Instalación fotovoltaica sobre tejado en una residencia de Boston (Massachusetts, Estados Unidos).

El autoconsumo fotovoltaico consiste en la producción individual a pequeña escala de electricidad para el propio consumo, a través de paneles solares fotovoltaicos. Ello se puede complementar con el balance neto. Este esquema de producción, que permite compensar el consumo eléctrico mediante lo generado por una instalación fotovoltaica en momentos de menor consumo, ya ha sido implantado con éxito en muchos países. Fue propuesto en España por la asociación fotovoltaica ASIF para promover la electricidad renovable sin necesidad de apoyo económico adicional.[137] El balance neto estuvo en fase de proyecto por el IDAE.[138] Actualmente está recogido en el Plan de Energías Renovables 2011-2020.[139]

Entre las ventajas del autoconsumo respecto al consumo de la red se encuentran las siguientes.

Con el abaratamiento de los sistemas de autoconsumo y el encarecimiento de las tarifas eléctricas, cada vez es más rentable que uno mismo produzca su propia electricidad.[16]

Se reduce la dependencia de las compañías eléctricas. Los sistemas de autoconsumo fotovoltaicos utilizan la energía solar, una fuente

gratuita, inagotable, limpia y respetuosa con el medioambiente. Se genera un sistema distribuido de generación eléctrica que reduce la necesidad

de invertir en nuevas redes y reduce las pérdidas de energía por el transporte de la electricidad a través de la red.[140]

Se reduce la dependencia energética del país con el exterior. Se evitan problemas para abastecer toda la demanda en hora punta, conocidos

por los cortes de electricidad y subidas de tensión. Se minimiza el impacto de las instalaciones eléctricas en su entorno.

Eficiencia y costos [editar]

Artículo principal: Paridad de red.

Cronología de las eficiencias de conversión logradas en células solares fotovoltaicas (fuente: National Renewable Energy Laboratory de Estados Unidos)

Evolución del precio de las células fotovoltaicas de silicio cristalino (en $/Wp) entre 1977 y 2013 (fuente: Bloomberg New Energy Finance)

Las eficiencias de las células solares varían entre el 6% de aquellas basadas en silicio amorfo hasta el 44% de las células multiunión.[141] Las eficiencias de conversión de las células solares que se utilizan en los módulos fotovoltaicos comerciales (de silicio monocristalino o policristalino) se encuentran en torno al 14-22%.[142] [143]

El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977 hasta aproximadamente 0,74 $/Wp en 2013.[144] Esta tendencia sigue la llamada "ley de Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.[145]

En 2011, el precio de los módulos solares se había reducido en un 60% desde el verano de 2008, colocando a la energía solar por primera vez en una posición competitiva con el precio de la electricidad pagado por el consumidor en un buen número de países soleados; también se ha publicado una cifra similar, igualmente consistente, de una bajada del 75% desde 2007 a 2012,[146] aunque no se aclara si esta cifra se refiere específicamente a Estados Unidos o es global. En cualquier caso, el coste medio de generación eléctrica de la energía solar fotovoltaica es ya competitivo con el de las fuentes convencionales de energía en una creciente lista de países,[147] particularmente cuando se considera la hora de generación de dicha energía, ya que la electricidad es usualmente más cara durante el día.[148] Se ha producido una dura competencia en la cadena de producción, y asimismo se esperan mayores caídas del coste de la energía fotovoltaica en los próximos años, lo que supone una creciente amenaza al dominio de las fuentes de generación basadas en las energías fósiles.[149] Conforme pasa el tiempo, las tecnologías de generación renovable son generalmente más baratas,[150] [151] mientras que las energías fósiles se vuelven más caras:

Cuanto más desciende el coste de la energía solar fotovoltaica, más favorablemente compite con las fuentes de energía convencionales, y más atractiva es para los usuarios de electricidad en todo el mundo. La fotovoltaica a pequeña escala puede utilizarse en

California a precios de $100/MWh ($0,10/kWh) por debajo de la mayoría de otros tipos de generación, incluso aquellos que funcionan mediante gas natural de bajo coste. Menores costes en los módulos fotovoltaicos también suponen un estímulo en la demanda de consumidores particulares, para los que el coste de la fotovoltaica se compara ya favorablemente al de los precios finales de la energía eléctrica convencional.[152]

En 2011, el coste de la fotovoltaica había caído bastante por debajo del de la energía nuclear, y se espera que siga cayendo:[153]

Para instalaciones a gran escala, ya se han alcanzado precios por debajo de 1 $/Watio. Por ejemplo, en abril de 2012 se publicó un precio de módulos fotovoltaicos a 0,60 Euros/Watio (0,78 $/Watio) en un acuerdo marco de 5 años.[154] En algunas regiones, la energía fotovoltaica ha alcanzado la paridad de red, que se define cuando los costes de producción fotovoltaica se encuentran al mismo nivel, o por debajo, de los precios de electricidad que paga el consumidor final (aunque en la mayor parte de las ocasiones todavía por encima de los costes de generación en las centrales de carbón o gas, sin contar con la distribución y otros costes inducidos). La energía fotovoltaica se genera durante un período del día muy cercano al pico de demanda (lo precede) en sistemas eléctricos que hacen gran uso del aire acondicionado. Más generalmente, es evidente que, con un precio de carbón de 50 $/tonelada, que eleva el precio de las plantas de carbón a 5 cent./kWh, la energía fotovoltaica será competitiva en la mayor parte de los países. El precio a la baja de los módulos fotovoltaicos se ha reflejado rápidamente en un creciente número de instalaciones, acumulando en todo 2011 unos 23 GW instalados ese año. Aunque se espera cierta consolidación en 2012, debido a recortes en el apoyo económico en los importantes mercados de Alemania e Italia, el fuerte crecimiento muy probablemente continuará durante el resto de la década. De hecho, ya en un estudio se mencionaba que la inversión total en energías renovables en 2011 había superado las inversiones en la generación eléctrica basada en el carbón.[153]

El Presidente de Estados Unidos Barack Obama pronuncia un discurso durante la inauguración de una planta solar fotovoltaica, el 27 de mayo de 2009.

En el caso del autoconsumo fotovoltaico, el tiempo de retorno de la inversión se calcula en base a cuánta electricidad se deja de consumir de la red, debido al empleo de paneles fotovoltaicos.

Por ejemplo, en Alemania, con precios de la electricidad en 0,25 €/kWh y una insolación de 900 kWh/kW, una instalación de 1 kWp ahorra unos 225 € al año, lo que con unos costes de instalación de 1.700 €/kWp significa que el sistema se amortizará en menos de 7 años.[155] Esta cifra es aún menor en países como España, con una irradiación superior a la existente en el norte del continente europeo.[40]

La tendencia es que los precios disminuyan aun más con el tiempo una vez que los componentes fotovoltaicos han entrado en una clara y directa fase industrial.[156]

Energía fotovoltaica de capa fina o Thin film [editar]

Artículo principal: Célula solar de película fina.

Otra alternativa de bajo coste a las células de silicio cristalino es la energía fotovoltaica de capa o película fina que está basada en las células solares de tercera generación.[157] Consisten en una célula solar que se fabrica mediante el depósito de una o más capas delgadas (película delgada) de material fotovoltaico en un sustrato.

Las células solares de película delgada suelen clasificarse según el material fotovoltaico utilizado:

Silicio amorfo (a-Si) y otros silicios de película delgada (TF-Si)[158]

Teluro de cadmio (CdTe)[159]

Cobre indio galio y seleniuro (CIS o CIGS)[160]

Células solares sensibilizadas por colorante (DSC)[161] y otras células solares orgánicas.[162]

La Conferencia Internacional Energía Solar de Bajo Coste de Sevilla, realizada en febrero de 2009, fue el primer escaparate en España de las mismas.[163] Esta tecnología causó grandes expectativas en sus inicios. Sin embargo, la fuerte caída en el precio de las células y los módulos de silicio policristalino desde finales de 2011 ha provocado que algunos fabricantes de capa fina se hayan visto obligados a abandonar el mercado, mientras que otros han visto muy reducidos sus beneficios.[164]

Reciclaje de módulos fotovoltaicos [editar]

Al finalizar su vida útil, la mayor parte de los paneles fotovoltaicos puede ser tratada. Gracias a las innovaciones tecnológicas que se han desarrollado en los últimos años, se puede recuperar hasta el 95% de ciertos materiales semiconductores y el vidrio, así como grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos utilizados en los módulos.[165] Algunas empresas privadas[166] y organizaciones sin fines de lucro, como por ejemplo PV CYCLE en la Unión Europea, están actualmente trabajando en las operaciones de recogida y reciclaje de paneles al final de su vida útil.

Dos de las soluciones de reciclaje más comunes son:

Paneles de silicio: Los marcos de aluminio y las cajas de conexión son desmantelados manualmente al comienzo del proceso. El panel se tritura y las diferentes fracciones se separan - vidrio, plásticos y metales. Es posible

recuperar más de 80% del peso entrante y, por ejemplo, el cristal mixto extraído es fácilmente aceptado por la industria de la espuma de vidrio el aislamiento. Este proceso puede ser realizado por los recicladores de vidrio plano ya que la morfología y composición de un panel fotovoltaico es similar al cristal plano utilizado en la industria de la construcción y del automóvil.

Paneles de otros materiales: Hoy en día contamos con tecnologías específicas para el reciclaje de paneles fotovoltaicos que no contienen silicio, alguna técnicas utilizan baños químicos para separar los diferentes materiales semiconductores. Para los paneles de teluro de cadmio, el proceso de reciclaje empieza por aplastar el módulo y, posteriormente, separar las diferentes partes. Este proceso de reciclaje está diseñado para recuperar hasta un 90% del vidrio y 95% de los materiales semiconductores.[167] En los últimos años, algunas empresas privadas han puesto en marcha instalaciones de reciclaje a escala comercial.

Desde 2010 se celebra una conferencia anual en Europa que reúne a productores, recicladores e investigadores para debatir el futuro del reciclaje de módulos fotovoltaicos. En 2012 tuvo lugar en Madrid.[168] [169]