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¿Por qué quemamos carbón y árboles para hacer paneles solares?


La mina colombiana Cerrejón - Una de las mayores minas de carbón a cielo abierto del mundo, suministra "carbón azul" para las fundiciones de silicio de todo el mundo.


Fuente: Hidden History Center - Por Thomas A. Troszak - Revisado en noviembre de 2019


Figura 1 - Obrero colocando carbón en un horno para la fabricación de silicio.

1. La mayoría de los módulos fotovoltaicos solares comerciales utilizan células fotovoltaicas (células solares) hechas de silicio (Si) altamente purificado.


Desde principios del siglo XX, el silicio "metal" se reduce a partir de cuarzo, utilizando carbono en hornos de arco sumergido, cada uno de hasta 45 megavatios* de electricidad. (Fig 1 y 2)

Observación: 45 megavatios (MW) son suficientes para dar electricidad a una pequeña ciudad (unos 33.000 hogares).

Figura 2

Figura 2: Diagrama de un derretidor de silicio mostrando los tres electrodos gigantes de carbón que proveen un arco de temperatura mayor a 3000°F para derretir cuarzo y convertirlo en silicio grado metalúrgico (mg-Si) usando carbón como reducidor.



2. ¿Por qué es necesario quemar carbono para fabricar energía solar fotovoltaica? -

El silicio elemental (Si) no puede encontrarse por sí mismo en ningún lugar de la naturaleza. Debe extraerse del cuarzo (SiO2) utilizando carbono (C) y calor (de un arco eléctrico) en el proceso de reducción "carbotérmica" (carbono+calor) llamado "fundición". (Si02 + 2C = Si + 2CO). Se utilizan varias fuentes de carbono como reductores en la planta de fundición de silicio, que requiere ~20 MWh/t de electricidad, y libera CO - lo que resulta en hasta 5 - 6 t de CO2 producidas por tonelada de silicio de grado metalúrgico (mg-Si) fundido. [1] Así pues, el primer paso de la producción de energía solar fotovoltaica consiste en recoger, transportar y quemar millones de toneladas de carbón, coque y coque de petróleo -junto con carbón vegetal y astillas de madera de árboles frondosos- para fundir mg-Si con una pureza >97% a partir de "mineral" de cuarzo (rocas de sílice). [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10]


Figura 4 - Fuente - https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf

3. Posteriormente se queman aún más combustibles fósiles, para generar electricidad para el polisilicio, lingotes, obleas, células y módulos. células y módulos. [21] Como resultado de todos estos procesos, la industria solar fotovoltaica genera megatoneladas de CO y CO2. Pero como se muestra a continuación (fig. 4) algunas descripciones de la producción de módulos solares omiten las materias primas y el proceso de fundición de la cadena de suministro fotovoltaica, lo que oculta el uso de uso de combustibles fósiles y la enorme deforestación necesaria para la producción de energía solar fotovoltaica. [1][3][9][27]



4. Materias primas para fabricar el silicio de grado metalúrgico

Materias primas para una tonelada (t) de MG-Si (Kato, et. al) [37]

● Cuarzo 2,4 t

● Carbón 550 kg

● Coque de petróleo 200 kg

● Carbón vegetal 600 kg

● Astillas de madera 300 kg


Materias primas para una tonelada (t) de MG-Si (Globo) [3]

● Cuarzo 2,8 t

● Carbón 1,4 t

● Astillas de madera 2,4 t


Para 110.000 tpy (toneladas por año) MG-Si (Thorsil) [1]

● Cuarzo 310.000 tpy

● Carbón, coque y ánodos 195.000 tpy

● Madera 185.000 tpy

● Total 380.000 tpy


Al calcular las emisiones de CO2 de la fundición de silicio, "por común acuerdo", algunos autores excluyen las emisiones de CO2 procedentes de fuentes no fósiles (carbón vegetal, astillas de madera), la generación de energía y el transporte de materias primas. [27]


5. Fuentes de carbono para la fundición de silicio solar

- Carbón - Es un combustible denso, parecido a la roca. El carbón (bajo en cenizas)

utilizado directamente para la fundición de silicio es sobre todo el "Blue

Azul" de Cerrajón, Colombia, Kentucky, EE.UU., o Venezuela.

Venezuela. [1][2][3][5][6][7][8]

- El coque metalúrgico (metcoke) es un combustible sólido, duro y similar a la ceniza, que se obtiene coquizando el carbón en grandes hornos de ranura para expulsar a la atmósfera la mayor parte de los alquitranes volátiles, etc., en forma de humo, llamas, monóxido de carbono, dióxido de carbono, dióxido de azufre, otros gases y vapor de agua.

Metcoke

El proceso de coquización es casi idéntico al utilizado para fabricar carbón vegetal a partir de la madera (véase la producción de carbón vegetal más abajo). Restringir el suministro de aire a una gran masa de carbón en combustión permite que alrededor del 40% del carbón se "queme", dejando tras de sí un residuo sólido (coque) con un mayor contenido de carbono por tonelada que el carbón original. Se necesitan aproximadamente 1,6 t de carbón para producir una tonelada de coque.


- Coque de petróleo - es un combustible sólido en forma de gránulos, que son un subproducto rico en carbono de las refinerías de petróleo. Millones de toneladas de coque de petróleo son hechas del bitumen en crudo.

Debido a su bajo precio y a su alto contenido de carbono, el coque de petróleo fabricado en refinerías estadounidenses a partir de "arenas bituminosas canadienses" es una fuente de carbono que se exporta desde EE.UU. a los fabricantes de silicio de China. [9]


"Debido a que se considera un subproducto de refinería, las emisiones de coque de petróleo no se incluyen en la mayoría de las evaluaciones del impacto

impacto climático de las arenas bituminosas" [10].


Hornos colmena en Brasil para quemar madera dura

- Carbón vegetal - Para producir carbón vegetal hay que quemar muchos árboles de madera dura. En el proceso tradicional, la madera se apila en "hornos colmena", se enciende y, a continuación se ahoga para evitar que se convierta en cenizas. En peso, aproximadamente el 75% de la madera se pierde en la atmósfera en forma de CO, CO2, humo y calor.



Algunos productores de silicio utilizan "plantaciones de carbón vegetal", pero sólo suministran una fracción de la demanda actual de carbono para la producción de silicio. El resto del carbon tiene que proceder de carbón o coque importados, o de la tala y quema de selva "virgen". [13][14][15][16]


En Brasil, se calcula que más de un tercio del carbón vegetal del país se sigue produciendo ilegalmente a partir de especies protegidas. [14] Brasil es proveedor de carbón vegetal de productores de silicio de otros países, entre ellos Estados Unidos. Las fundiciones de silicio de todo el mundo utilizan de muchas fuentes, por lo que el silicio solar puede fundirse fundirse con carbón vegetal procedente directamente de la selva tropical no de plantaciones.

Figura: Madera cortada para la producción de carbón vegetal cerca de Katha, en el norte de Myanmar. Las aldeas de esta zona solían cortar teca y otros árboles valiosos para la exportación, pero desde entonces han empezado a producir carbón vegetal. El carbón que se exporta a China puede fabricarse con cualquier árbol, independientemente de su tamaño o especie. Con esta cantidad de árboles se podrían producir unos 150 sacos de carbón vegetal.


6. Astillas de madera dura (también llamadas Metchips) - Fragmentos de madera de madera dura triturada del tamaño de una caja de fósforo se mezclan en la "olla" del fundidor de silicio por muchas razones: para permitir que los gases reactivos circulen y el silicio líquido que se forma pueda asentarse en el fondo y permitir que el CO resultante (y otros gases) salgan de la "carga" de la fundición de forma segura. [4]

7. Mineral de silicio - Cuarzo - (sílice, dióxido de silicio, SiO2)

Aunque sea suficientemente pura, la arena de sílice no funcionará en ninguna fundición de silicio, es demasiado fina. El cuarzo de gran pureza se extrae y se clasifica en grava "grumosa" (del tamaño de un puño) para la fundición. Mundialmente, los yacimientos de "cuarzo de grado solar" son escasos y muy apreciados.


https://www.wacker.com/cms/en-us/about-wacker/wacker-at-a-glance/production-sites/charleston.html
Planta de polisilicio en Tennessee, EE.UU: consume 400 megavatios de electricidad, suficiente para abastecer a 300.000 hogares.

8. Producción de polisilicio

El silicio de grado metalúrgico (mg-Si) procedente de la fundición tiene un 99% de pureza, por lo que debe someterse a dos procesos más que consumen mucha energía antes de que puedan convertirse en células solares. En primer lugar, el proceso Siemens convierte el (mg-Si) de la fundición en silicio policristalino (llamado polisilicio) mediante un proceso de deposición de vapor a alta temperatura.


Es algo así como "cultivar caramelos de roca" en "cuerdas" de silicio hiperpuro dentro de un reactor a presión. Como una mezcla de gas de silicio (hecho de mg-Si) y gas hidrógeno pasa a través de del reactor, algunas de las moléculas de gas de silicio se "pegan" a las "cuerdas" calentadas eléctricamente (llamadas filamentos), lo que hace que se conviertan en "barras" de polisilicio con una pureza del 99,9999% (o superior)


Izquierda: Varillas antes de empezar el proceso. Cuando se calientan a unos 1100°C, los "filamentos" de polisilicio situados bajo la cubierta del reactor pueden "atrapar" alrededor del 20% de los átomos de silicio que pasan por el reactor en forma gaseosa. A la derecha: "Varillas" de polisilicio tras 5 días de crecimiento. (Siemens AG)


Barras de silicio ya finalizadas

Cada lote de "barras" de polisilicio tarda varios días en crecer, y un suministro continuo y permanente de electricidad a cada reactor es esencial para evitar una costosa "interrupción de la producción".

Las refinerías de polisilicio dependen de redes eléctricas convencionales, y suelen tener dos de alta tensión.

Una planta de polisilicio consume ~1,6 - 6 t de mg-Si y requiere al menos 175 MWh (o más) de electricidad adicional por tonelada de mg-Si. o más) polisilicio producida - unas 10 veces la energía ya utilizada para fundir cada tonelada de mg-Si a partir del mineral. [11]




Una vez que las barras son sacadas del reactor, se cortan en secciones o se rompen en "trozos" para cargarlos en crisoles en el siguiente paso.

Figura: Varillas y secciones de polisilicio divididas en trozos a mano en una sala blanca. (Hemlock)




9. Cultivo de cristales (producción de lingotes)

Para fabricar células solares monocristalinas (denominadas mono FV) la industria fotovoltaica utiliza el proceso Czochralski para purificar el polisilicio y alinear las moléculas de silicio de silicio en forma de monocristal.

En primer lugar, los trozos de polisilicio se funden en un crisol giratorio en un atmósfera inerte.

Luego, una pequeña semilla de cristal de silicio es bajada al crisol. A medida que el cristal semilla se retira lentamente, se forma un único cristal de silicio a partir de la punta de la semilla. A medida que el crisol gira, el polisilicio sigue creciendo hasta formar un lingote cilíndrico dejando la mayor parte de las impurezas no silíceas en el 5-10% de "restos de lingote" que queda tras la extracción del cristal.


Trozos de polisilicio por calentarse en un crisol. Una vez fundido, un cristal único será extraído del polisilicio líquido.







Lingote Czochralski extraído del polisilicio fundido.

(Fuente de la imagen: Siltronix)










Lingote de Czochralski tras el enfriamiento (Fuente de la imagen: Getty) Este proceso requiere varios días y energía ininterrumpida. Una planta de lingotes/wafer/células puede consumir más de 100 MWh de energía adicional por tonelada de polisilicio entrante, unas 6 veces más que la fundición del silicio a partir del mineral. Tras un enfriamiento lento, se cortan la corona y la cola inutilizables del lingote (alrededor del 10%), se tritura el centro, se cortan las cuatro "cuerdas" (lados largos) se sierran (alrededor del 25%) dejando un "ladrillo" rectangular para que las obleas solares sean casi cuadradas después del corte.






Proceso Czochralski lingote entero (izquierda), y ladrillo y remanentes tras aserrado (derecha), corona y cola (arriba a la derecha) (SVM)







Para las células multicristalinas (llamadas multi FV) el polisilicio se funde en moldes rectangulares de cuarzo y luego se deja enfriar lentamente en un lingote rectangular de silicio policristalino, que es cortado para eliminar porciones inservibles y, a continuación, se corta en ladrillos.


10. Serrado de obleas

A continuación, como si se tratara de una barra de pan, los "ladrillos" de silicio se cortan en finas obleas con sierras de hilo. con sierras de hilo en finas obleas, que más tarde se posteriormente en células.


Aproximadamente la mitad del "ladrillo" se pierde como "aserrín" en el proceso de corte de las obleas, y esto no se puede recuperar. Así que, después de toda la energía y los materiales que se han empleado en fabricar cada "ladrillo", gran parte del polisilicio entrante

nunca se convierte en obleas acabadas. Algunas de las cabezas, colas, cordones y recortes pueden marcarse (para eliminar la contaminación) y refundirse utilizando energía adicional si la pureza de la chatarra es suficiente para justificar el gasto, de lo contrario se desechan como residuos.


11. Producción de células y módulos.

Una vez cortadas las obleas, se convierten en "células" añadiendo capas de otros materiales y componentes en una serie de pasos de producción adicionales.


Horno de difusión en el PV-TEC del Fraunhofer ISE.

Carga de los tubos de difusión con lotes de obleas de silicio multicristalino. Las obleas, clasificadas en botes de cuarzo, se introducen en los tubos de cuarzo caliente (hasta 1000 °C). (Fraunhofer ISE)


A continuación, las células se ensamblan en módulos. Además de obleas de silicio, la mayoría de los módulos fotovoltaicos también requieren muchos otros materiales que consumen mucha energía: aluminio (para el marco), plata, cobre, vidrio, plástico, metales de tierras raras altamente tóxicos, ácidos y docenas de otros productos químicos para transformar el polisilicio en células y módulos. Se necesita mucha electricidad para alimentar la producción de células y el ensamblaje de módulos, y se utiliza gas natural para suministrar calor en el proceso.


Inspección de módulos solares en la cadena de montaje. (Solar World)


12. Otros materiales y pasos

Una vez fabricados los módulos, todo el sistema fotovoltaico necesita una estructura de acero o aluminio, hormigón y un terreno vacío (o un tejado) para colocarlo de forma segura hacia el sol, un montón de cableado para conectar (a través de inversores y transformadores de corriente continua o alterna) a la red a la red eléctrica existente o directamente a los bancos de baterías.


Por supuesto, se necesita mucha energía y recursos para para fabricar acero, aluminio, hormigón, cables de cobre y todos los demás materiales. En muchos casos, los componentes de "equilibrio del sistema" de una fotovoltaica pueden requerir tantos (o más) recursos y energía recursos que los mismos paneles solares. [21]


Además, la cantidad de combustibles fósiles y recursos no renovables necesarios para construir y mantener nuevas infraestructuras de producción fotovoltaica (fundiciones, refinerías de polisilicio, etc.), es considerable, pero se ha excluido de todos los "análisis del ciclo de vida" (ACV) de la producción solar fotovoltaica. [38]


13. Transporte

A lo largo del proceso de fabricación de energía solar fotovoltaica los materiales y productos deben ser enviados a y desde más de una docena de países de todo el mundo en grandes barcazas, portacontenedores, trenes o camiones, todos ellos impulsados por petróleo no renovable. [36]


14. Energía

En todo el mundo, sólo unas pocas fundiciones de silicio, como las de Noruega, funcionan principalmente con energía hidroeléctrica. En el resto del mundo, la mayoría de las fundiciones, refinerías de polisilicio, productores de lingotes y fábricas de células y módulos funcionan con redes alimentadas principalmente por combustibles fósiles y uranio. En la actualidad, más del 50% de todo el silicio solar se fabrica en China, donde la red industrial funciona en gran medida con combustibles fósiles, principalmente carbón de baja calidad.


Dependiendo de la "combinación energética" disponible, la cantidad de carbón, coque o gas que se quema para suministrar energía 24/7 a las fábricas fotovoltaicas puede ser mucho mayor que la cantidad necesaria de carbono para fundir el silicio. Para realizar una evaluación realista del impacto medioambiental total de la fabricación fotovoltaica, hay que añadir esta cantidad de emisiones de CO2 a la "factura de combustible fósil" de la producción de energía solar fotovoltaica, junto con la "energía incorporada" de las fábricas fotovoltaicas [11] [12] [21]. [11][12][21]


15. Conclusiones

Cada paso en la producción de sistemas de energía solar fotovoltaica (FV) requiere una aportación perpetua de combustibles fósiles:

  • en las primeras etapas como carbón usado como reductor en la fundición de metales a partir del mineral,

  • en el proceso de fabricación con la energía necesaria para lograr las altas temperaturas que requiere el proceso en sus diversas etapas.

  • en transporte internacional de las distintas partes

  • en el armado de la infraestructura.


Las fundiciones de silicio, las refinerías de polisilicio y los cultivadores de cristal de todo el mundo dependen de una energía ininterrumpida, 24 horas al día y 7 días a la semana, que procede en su mayor parte del carbón y el uranio. Los únicos materiales "renovables" que se consumen en la producción fotovoltaica se obtienen mediante la deforestación para astillas de madera, y mediante la quema de vastas áreas de selva tropical para la fabricación del carbón vegetal utilizado como fuente de carbono para las fundiciones de silicio. Hasta ahora, tanto los medios de comunicación como las revistas especializadas han afirmado que la energía solar fotovoltaica puede "sustituir de algún modo a los combustibles fósiles" sin tener en cuenta la realidad no renovable de las cadenas de suministro mundiales necesarias para la minería, la fabricación y la producción de energía solar fotovoltaica.


Basándose en los actuales niveles de producción mundial de energía solar fotovoltaica, un intento de sustituir la producción de electricidad convencional por energía solar fotovoltaica requeriría un aumento drástico de la cantidad de carbón y coque de petróleo necesarios para la fundición de silicio, junto con el aumento de la tala de vastas áreas de bosque para carbón vegetal y astillas de madera.


Se recomienda a los lectores que consulten todas las referencias que figuran a continuación para conocer otros aspectos de la fabricación e implantación de la energía solar fotovoltaica que quedan fuera del alcance de este documento.



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