Fuente: OTAN SEGURIDAD ENERGÉTICA - Por Thomas A. Troszak
Palabras clave: Energía solar fotovoltaica, redes eléctricas, combustibles fósiles, energías renovables
Introducción
A pesar de muchas predicciones optimistas, la energía solar fotovoltaica (FV) sigue representando sólo una pequeña fracción del suministro mundial de electricidad a partir de 2020. Se han producido más de dos décadas de crecimiento e inversión casi exponencial en el desarrollo de la energía solar fotovoltaica, pero la cantidad de
combustibles fósiles que se queman para obtener energía sigue aumentando.
[1] Esta aparente paradoja se ha atribuido a una serie de cuestiones económicas o políticas, pero hay un factor de importancia crítica que puede faltar en el debate.
Todas las tecnologías modernas dependen del suministro de combustibles fósiles y de la energía fósil que que las hacen posibles. Del mismo modo, cada paso en la producción de la energía solar fotovoltaica requiere un aporte de combustibles fósiles, como materias primas, como energía de la red como materia prima, como reductor de carbono para la fundición del silicio, para el calor y la energía del proceso, para el transporte y para el equilibrio de los componentes del sistema. Independientemente de las intenciones, ninguna cantidad de billetes o cualquier cantidad de mandatos puede producir un solo vatio de energía a menos que se produzca un importante gasto de materias primas y energía fósil.
Por ello, el autor de este artículo invita a todas las partes interesadas, incluidos los ecologistas, los consumidores y los responsables políticos a considerar el impacto medioambiental más amplio, y la gran deuda de recursos que en realidad hay que pagar antes de que se pueda instalar un sistema fotovoltaico en cualquier empresa, lugar de trabajo o en el hogar. Si queremos reconocer los costes ocultos de esta tecnología industrial de alta ingeniería debemos examinar primero la realidad no renovable del propio proceso de fabricación de los sistemas fotovoltaicos.
Para ser aún más realistas, debemos considerar también las consecuencias adicionales derivadas de las cadenas de suministro mundiales alimentadas por combustibles fósiles que son necesarias para la extracción, la producción y la puesta en marcha de los sistemas de energía fotovoltaica.
Además, como la producción de energía solar fotovoltaica es intermitente, muy variable y en gran medida impredecible, no es equivalente a la energía convencional en cuanto a disponibilidad, capacidad o fiabilidad.
Por eso, junto a la fotovoltaica, hay que desplegar otras tecnologías industriales basadas en los fósiles para que pueda integrarse en las redes eléctricas existentes. Si se considera a esta escala más amplia, el desarrollo de la industria solar fotovoltaica puede ser responsable de una serie de otros gastos indirectos de combustibles fósiles que no se han tenido plenamente en cuenta en las evaluaciones anteriores de la energía solar fotovoltaica por sí sola.
Este artículo presenta a los lectores los numerosos tipos de combustibles fósiles que se utilizan en la producción de energía fotovoltaica, y señala algunos de los otros insumos de energía fósil que son necesarios antes de que pueda tener lugar la entrega de un conjunto solar fotovoltaico. También destacamos varios impactos ambientales y otras cuestiones que pueden haber quedado excluidas de los análisis anteriores.
[1] "...a pesar del enorme impulso político que fomenta el abandono del carbón y la rápida adopción de las energías renovables en los últimos años, no se ha producido ninguna mejora en la combinación de combustibles que alimenta el sector energético mundial en los últimos 20 años. Sorprendentemente, la proporción de carbón en 2017 fue exactamente la misma que en 1998. La proporción de combustibles no fósiles fue en realidad menor, ya que el crecimiento de las energías renovables no ha logrado compensar el descenso de la energía nuclear". Statistical Review of World Energy, 67ª edición, junio 2018 https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review2018-full-report.pdf
1. Una visión general de la fabricación fotovoltaica a base de silicio (a partir de 2020):
La mayoría de los módulos solares fotovoltaicos comerciales utilizan células fotovoltaicas (células solares) fabricadas con silicio (Si) altamente purificado. [1] Desde principios del siglo XX, el silicio semimetálico se ha producido a partir del cuarzo mediante el uso de de carbón fósil en hornos de arco sumergido alimentados con megavatios de electricidad. [2][3][4][5][6]
Véase la figura 1
Figura 1. Diagrama de una fundición de silicio que muestra los tres electrodos de carbono gigantes que proporcionan temperaturas de arco> 3.000ºF para fundir cuarzo en silicio de "grado metalúrgico" (mg-Si) utilizando carbono como reductor. ©2003 (John Wiley and Sons, Ltd.)
Como podemos ver por este permiso de emisiones del Departamento de Conservación del Medio Ambiente del Estado de Nueva York (válido hasta el año 2021) del proceso de fundición del silicio casi nada ha cambiado en más de un siglo:
"Globe Metallurgical produce silicio metálico de alta pureza... Los reactivos consisten en carbón, carbón vegetal, coque de petróleo u otras formas de coque, astillas de madera y cuarzo se mezclan y se añaden en la parte superior de cada horno. El proceso de arco eléctrico sumergido es una operación de fundición por reducción. en la zona de reacción, las fuentes de carbono reaccionan con el dióxido de silicio y el oxígeno para formar monóxido de carbono y reducir el mineral al metal base silicio... La instalación es una fuente importante de emisiones de dióxido de azufre, monóxido de carbono, cloruro de hidrógeno y óxidos de nitrógeno" [2].
(Nota de Climaterra: puede ver el proceso de fabricación en esta presentación) https://www.osti.gov/servlets/purl/1497235
La posterior producción de polisilicio, silicio cristalino, obleas de silicio y el montaje de los módulos fotovoltaicos también requiere un suministro continuo de energía eléctrica, combustibles fósiles y docenas de de otros recursos minerales no renovables. [1-24] Sin embargo, incluso si se dispusiera de un 100% de energía gratuita para todos estos procesos, la producción continua de energía fotovoltaica sigue dependiendo en gran medida de un suministro de carbono elemental, que proviene principalmente de los combustibles fósiles. [1-19]
2. ¿Por qué es necesario el carbono para la producción de energía solar fotovoltaica?
El silicio elemental (Si) no puede encontrarse por sí mismo en ningún lugar de la naturaleza. Debe extraerse del mineral 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 suelen utilizar varios combustibles sólidos disponibles en el mercado como fuentes de reducción del carbono en la fundición de silicio. La planta de fundición requiere ~20 MWh de electricidad y libera hasta 5 - 6 toneladas (t) de CO2 (y CO) por cada tonelada de silicio de grado metalúrgico (mg-Si) que se funde a partir del mineral. [6]
Así pues, el primer paso de la producción comercial de energía solar fotovoltaica es reunir, 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 superior al 97% a partir de mineral de cuarzo (rocas de sílice). [21-2
Figura 2.En la fundición de silicio, tres electrodos de carbono de 1 metro de diámetro penetran en la superficie de la carga de carbón, coque, astillas de madera y roca de cuarzo. Cada electrodo tiene entre 10 y 20 metros de altura.
Más tarde se queman aún más combustibles fósiles para generar calor y electricidad para las siguientes fases de producción de polisilicio, lingotes, obleas, células y módulos. Como resultado de todos estos procesos, la industria solar fotovoltaica genera megatoneladas de CO y CO2 al año. [1-20] Sin embargo, como se muestra en la Figura 3, algunas de las descripciones más autorizadas y citadas de la producción de módulos solares omiten las materias primas, los combustibles fósiles y los árboles quemados de su cadena de suministro fotovoltaica. Esto oculta la necesidad inherente de los combustibles fósiles como materia prima para la fabricación fotovoltaica, y elude el potencial de conflicto social o político que podría derivarse de la divulgación de la importante cantidad de deforestación que es necesaria para que la producción fotovoltaica solar tenga lugar. [21-25]
4. Fuentes de carbono para la fundición de silicio solar Carbón -
Es un combustible denso, parecido a la roca, que se extrae de las minas. El carbón con bajo contenido en cenizas que se utiliza directamente en las fundiciones de silicio es, en su mayoría, la "Gema Azul" de Cerrajón, Columbia, Kentucky, EE.UU., o Venezuela. Hay que lavarlo antes de utilizarlo en la fundición; el subproducto se vende luego como combustible. [6] [8] [10] [15-18] Véase la figura 4.
Figura 3: Esquema de suministros de un panel solar, omite el carbón, los árboles, el cuarzo y otras materias primas necesarias para la fundición metalúrgica del silicio a partir del mineral - Fuente: Laboratorio Nacional de Energía Renovable - 2018
3. Materias primas necesarias para el silicio de grado metalúrgico
Materias primas para una tonelada (t) de MG-Si (Kato, et. al) [13]
Cuarzo 2,4 t (tonelada)
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 (Globe) [1]
Cuarzo 2,8 t
Carbón 1,4 t
Astillas de madera 2,4 t.
Para 110.000 tpy (toneladas por año) MG-Si (Thorsil) [6]
Cuarzo 310.000 tpy
Carbón, coque y ánodos 195.000 tpy
Madera 185.000 tpy
Total 380.000 tpy.
Al estimar las emisiones de CO2 del proceso de fundición del silicio, varios autores anteriores excluyeron "de común acuerdo"[22] las emisiones de CO2 de todas las fuentes de carbono no fósiles (carbón vegetal, astillas de madera), de la generación de energía y del transporte de la materia prima. [22] Esto ilustra una cuestión importante. La validez de cualquier estimación depende de los límites del estudio. Si el abanico de insumos es demasiado estrecho, el impacto medioambiental global de una industria del mundo real puede no estar adecuadamente documentado. Con el tiempo, las suposiciones inherentes a un estudio pueden propagarse a toda la literatura posterior, dando lugar a conclusiones incompletas y, por tanto, poco realistas.
4. Fuentes de carbono para la fundición de silicio solar
Carbón - Es un combustible denso, parecido a la roca, que se extrae de las minas. El carbón de baja ceniza que se utiliza directamente en las fundiciones de silicio fundiciones de silicio es sobre todo la "Gema Azul" de Cerrajón, Colombia, Kentucky, EE.UU., o Venezuela. Debe Debe lavarse antes de utilizarlo en la fundición; el subproducto se vende luego como combustible. [6] [8] [10] [15-18] Véase la figura 4.
Figura 4 La mina a cielo abierto de Cerrejón, en Colombia, suministra carbón "Blue Gem", una fuente primaria de carbón para fundiciones de silicio solar en todo el mundo.
Coque metalúrgico (metcoke) - es un combustible sólido y duro, similar a la ceniza, que se fabrica coqueando carbón previamente extraído 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. El proceso de coquización es casi idéntico al utilizado para fabricar carbón vegetal a partir de la madera (véase la producción de carbón vegetal). de madera). Restringir el suministro de aire a una gran masa de carbón en combustión permite que alrededor del 40% del carbón que se queme, dejando un residuo sólido (coque) con un mayor contenido de carbono por tonelada que el carbón original. carbón original. Se necesitan entre 1,3 y 1,6 toneladas de carbón para producir una tonelada de metcoque. El metcoke tiene un aspecto poroso, gris plateado. [19][20[21]
Coque de petróleo (Petcoke): es un combustible sólido en forma de gránulos densos, similares a pellets, que son un subproducto rico en carbono de las refinerías de crudo. También se fabrican millones de toneladas de coque de petróleo directamente a partir del betún bruto (alquitrán). Debido a su bajo precio de mercado y a su alto contenido en carbono, el coque de petróleo fabricado en las refinerías estadounidenses a partir del "alquitrán canadiense" se ha convertido en un producto muy popular.
de las arenas bituminosas canadienses ya se exporta a los fabricantes de silicio de China en millones de toneladas. Además, el alcance total de las emisiones de CO2 resultantes del coque de petróleo no está bien documentado. [23] "Como se considera un subproducto de refinería, las emisiones de coque de petróleo no se incluyen en la mayoría de las evaluaciones del impacto climático de las arenas bituminosas". [22]
Carbón vegetal - Para fabricar carbón vegetal hay que quemar muchos árboles de madera dura. En el proceso tradicional, la madera se apila en "hornos de colmena", se enciende y, a continuación, se sofoca en su mayor parte con tierra o arcilla para evitar que la madera se convierta completamente en cenizas. Véase la figura 5.
Figura 5. Hornos de carbón de colmena en Brasil. Hay que quemar muchos árboles, ya que el proceso tradicional requiere hasta hasta diez toneladas de madera dura para hacer una tonelada de carbón vegetal.
En peso, hasta el ~90% de la madera recolectada se pierde en la atmósfera en forma de CO, CO2, humo y calor, por lo que hay que quemar hasta diez toneladas de madera en bruto para producir una sola tonelada de carbón vegetal [28] [33] Algunos productores de silicio afirman que utilizan "plantaciones de carbón vegetal", pero estas plantaciones tienen un alcance limitado, por lo que sólo pueden suministrar una fracción de la demanda global de carbono en la producción de silicio. [29-31]
El resto del suministro de carbono para la producción de silicio tiene que proceder del carbón o del coque importados, o de la tala y quema de selva tropical "virgen".[30] [35] [36] En Brasil, se estima que en 2015 más de un tercio del suministro de carbón vegetal del país se sigue produciendo ilegalmente a partir de especies protegidas.[30] Brasil también es un exportador de carbón vegetal a los productores de silicio de otros países, incluidos los Estados Unidos. [30-34] Las fundiciones de silicio de todo el mundo utilizan carbón vegetal de muchas fuentes, por lo que el silicio solar puede fundirse con carbón vegetal hecho directamente de árboles de la selva que no se cultivaron en plantaciones. [30][35][36]
Astillas de madera dura (también llamadas Metchips) - Fragmentos de madera dura triturada del tamaño de una caja de cerillas deben mezclarse en el recipiente de fundición de silicio por varias razones: para permitir que los gases reactivos circulen, para que el silicio líquido que se forma pueda asentarse en el fondo para su extracción, y para permitir que el resultante (y otros gases) salga de la carga de la fundición de forma segura. [24] Ninguna fundición de silicio puede funcionar sin este agente voluminizador húmedo y de baja pureza que se añade a la carga hasta un ~60% de la mezcla. Por lo tanto, la deforestación perpetua es un componente inherente a la producción solar fotovoltaica. [1][10][11][24- 32]
Como estas emisiones biológicas de CO2 se han omitido en el balance de CO2 de la producción solar fotovoltaica de la producción solar fotovoltaica, es posible que sus efectos negativos sobre el medio ambiente no se hayan cuantificado adecuadamente. [27]
Sin embargo, los efectos negativos de la deforestación pueden ir mucho más allá de las meras emisiones de CO2 e incluir la erosión de la tierra, el agotamiento de la capa vegetal, la destrucción del hábitat natural, la posible extinción de especies y muchos otros problemas. [34]
5. Fuentes de mineral de silicio (SiO2) para la fundición de silicio solar y la producción de crisoles.
Cuarzo - (sílice, dióxido de silicio, SiO2) Incluso si fuera suficientemente puro, la arena de sílice ordinaria no funcionará en ninguna fundición de silicio porque el tamaño de las partículas es demasiado fino. En su lugar, se utilizan depósitos especialmente seleccionados de cuarzo de alta pureza (HPQ) se extraen y clasifican en grava "grumosa" (del tamaño de un puño) para aplicaciones de fundición de silicio solar. En todo el mundo, los depósitos de HPQ de grado solar y electrónico son algo escasos y muy valorados. [37][38][39]
Otro problema para la energía fotovoltaica es la necesidad de cuarzo de pureza ultra alta con niveles de contaminación inferiores al 0,003% (99,998% de SiO2). Estos grados son necesarios para la producción de los crisoles de cuarzo de alta temperatura que se consumen en lingotes de silicio monocristalino del proceso Czochralski (Cz) , que también se utilizan para producir obleas de grado electrónico para circuitos integrados (IC).
Véase la sección 7. Cultivo de cristales (producción de lingotes). Prácticamente todo el suministro mundial de cuarzo de grado crisol proviene de una única región minera en Spruce Pine, Carolina del Norte, Estados Unidos. [38] Lo que significa que prácticamente toda la producción mundial de todos los semiconductores basados en el silicio, los ordenadores, la electrónica y la energía solar fotovoltaica depende también de la productividad anual de un único yacimiento mineral en la corteza terrestre. Se trata de un tema de importancia estratégica crítica, que no ha sido tratado anteriormente en la literatura fotovoltaica. Existen otras fuentes (muy pequeñas) de cuarzo para crisoles, pero no se sabe si su producción podría ampliarse para proporcionar más de un pequeño porcentaje de la actual demanda mundial de crisoles de Cz, o el tiempo que duraría el suministro. [36-39]
6. Producción de polisilicio.
El silicio de grado metalúrgico (mg-Si) procedente de la fundición sólo tiene una pureza de entre el 97 y el 99%, por lo que debe someterse a dos pasos más de purificación que requieren mucha energía, antes de que pueda convertirse en obleas para células solares (o electrónica). En primer lugar, el proceso Siemens convierte el silicio metalúrgico de la fundición en policristalino (llamado polisilicio) mediante un método de deposición continua de vapor (CVD) a alta temperatura. Esto funciona un poco como cultivar caramelos de roca en una cuerda sumergida en un frasco de agua azucarada. Pero en este caso, los cristales de polisilicio se cultivan en finas "cuerdas" de silicio hiperpuro, llamadas filamentos. de silicio ultrapuro, que se montan verticalmente en un reactor de forma de campana lleno de gas a presión. A medida que se bombea una mezcla de gas de silicio (hecho con el mg-Si) y gas de hidrógeno a través del recipiente del reactor, algunas de las moléculas de gas de silicio se aferran a los filamentos de silicio precalentados eléctricamente que engordan lentamente hasta convertirse en "barras" de polisilicio con una pureza del 99,9999% (o más).
Cuando se precalienta a unos 1100°C, los filamentos/varillas de silicio que crecen debajo de la cubierta del reactor pueden atrapar alrededor del 20% de los átomos de silicio que pasan por el reactor en forma gaseosa. [1] Véase la figura 5.
Figura 5. Barras de polisilicio cultivadas en un reactor CVD (método de deposición continua de vapor). En la foto, el proceso de CVD se ha completado, la cúpula del cúpula del reactor se ha retirado, y las varillas están listas para ser cosechadas
Cada lote de varillas 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 del funcionamiento. Por ello, todas las refinerías de polisilicio dependen de centrales eléctricas convencionales muy fiables, y suelen tener dos alimentaciones separadas de alto voltaje. [41] [42] Una planta de polisilicio consume entre 1,6 y 6 toneladas de mg-Si y requiere al menos 175 MWh (o más) de electricidad adicional por cada tonelada de silicio producida. [15][42] Una vez que las barras se retiran del reactor, se cortan en secciones - o en trozos a mano (o mediante fracturación térmica) en un entorno de sala blanca. Una sola planta de polisilicio (con una capacidad de 20.000 t/año) puede usar 400 megavatios de electricidad, suficiente para abastecer unos 300.000 hogares. [42]
7. Cultivo de cristales (producción de lingotes)
Para fabricar células solares monocristalinas (también denominadas monovoltaicas), la industria fotovoltaica utiliza el método proceso Czochralski (Cz) para purificar aún más el polisilicio y alinear las moléculas de silicio en una forma monocristalina con propiedades semiconductoras específicas. [43][46]
En primer lugar, los trozos de polisilicio se funden (por inducción) dentro de un crisol de cuarzo giratorio y ultrapuro, rodeado de una atmósfera de gas inerte (normalmente argón). Los metales raros se añaden a la masa fundida en cantidades mínimas para proporcionar las propiedades semiconductoras específicas deseadas en las células terminadas. A continuación, se introduce un pequeño cristal semilla de silicio puro en el polisilicio fundido. A medida que el crisol gira lentamente, un nuevo cristal de silicio comienza a formarse en la punta de la semilla. A medida que el nuevo cristal individual se extrae lentamente del líquido, sigue creciendo hasta formar un lingote cilíndrico alto (o "boule"), dejando la mayor parte de las impurezas que no son de silicio en el 5-10% de restos de la olla que quedan en el fondo del crisol. Este proceso requiere varios días y energía ininterrumpida. [40] Después de un lento enfriamiento, se cortan la corona y la cola del lingote (alrededor del 10%), la sección central cilíndrica se baja y se recortan las cuatro "cuerdas" (lados largos) (alrededor del 25%), dejando un "ladrillo" casi rectangular para que las obleas solares sean casi cuadradas después del corte. [44][45] Véase la figura 6
En el caso de las células multicristalinas (también denominadas multi fotovoltaicas), el polisilicio en trozos se funde en moldes de cuarzo rectangulares bajo gas inerte, y luego se enfría con mucho cuidado para favorecer la "solidificación direccional" en un lingote rectangular de silicio multicristalino. A continuación se rompe el molde de cuarzo y el lingote rectangular se recorta por completo para eliminar las partes externas inutilizables. A continuación, el núcleo restante se corta verticalmente en un grupo de "ladrillos". [44]
8. Serrado de obleas.
A continuación, como si se tratara de una barra de pan, los ladrillos de silicio cristalino se cortan con sierras de hilo en finas obleas que luego se transformarán en células. Aproximadamente la mitad de cada ladrillo se pierde en forma de serrín en el proceso de de las obleas, y esto no se puede recuperar. Por lo tanto, después de toda la energía y los materiales que se han en la fabricación de cada ladrillo, gran parte del polisilicio entrante no llega a convertirse en obleas acabadas. Véase Figura 6
Figura 6. Proceso CZ de obleas de lingotes - Fuente NREL 2018 [45]
Algunas de las cabezas, colas, cuerdas y recortes pueden someterse a un grabado en ácido para eliminar la contaminación y volver a fundirse más tarde si la pureza de la chatarra es suficiente para justificar el gasto; de lo contrario, se desechan como residuos. Dependiendo de la combinación concreta de procesos utilizados, el proceso de lingotes y obleas puede requerir unos 350 MWh adicionales de energía por MWp de módulos. [45]
9. Producción de células y módulos.
Una vez cortadas las obleas, se convierten en "células" fotovoltaicas añadiendo capas de otros materiales y componentes en una serie de pasos de producción adicionales. La cantidad de energía necesaria para estos procesos varía en función del tipo de célula. A continuación, las células terminadas se conectan en y se encapsulan permanentemente en módulos resistentes a la intemperie.
Además de las obleas de silicio, los módulos solares fotovoltaicos también requieren muchos otros materiales que consumen mucha energía: vidrio, aluminio para el marco estructural (si se utiliza), cobre, plata, plástico, junto con metales de tierras raras, ácidos, gases y docenas de otros materiales necesarios para procesar el polisilicio en células y módulos. [16] Se necesita más electricidad para alimentar el proceso de montaje de los módulos, unos 113 MWh/MWp por módulos ensamblados. [45] Se utiliza un suministro de gas natural para proporcionar calor en las células y los módulos. La cantidad de energía primaria adicional necesaria para el calor de proceso es es aproximadamente igual a la energía primaria necesaria para la electricidad. [45]
10. Montaje de los componentes del sistema.
Una vez montados y entregados los módulos, un conjunto fotovoltaico comercial suele necesitar un terreno vacío, o un tejado, una estructura de soporte de acero o aluminio y cimientos de hormigón para colocarlo de forma segura hacia el sol, y un cableado externo para conectar el conjunto a la red eléctrica existente (a través de inversores y transformadores CC/CA) o directamente a los bancos de baterías. Por supuesto, se necesita mucha energía fósil y recursos no renovables para fabricar acero, aluminio, hormigón, inversores CC/CA el cableado de cobre y todos estos componentes de "equilibrio del sistema".
En muchos casos, su fabricación puede requerir tantos recursos y energía (o más) como la de los módulos. [40]
11. Transporte.
A lo largo del proceso de fabricación de la energía solar fotovoltaica, todas las materias primas, etapas intermedias y productos acabados deben ser enviados a y desde más de una docena de países de todo el mundo en grandes barcazas, buques portacontenedores, trenes o camiones, todos ellos impulsados por petróleo no renovable. [51]
12. Energía para la producción fotovoltaica.
En todo el mundo, sólo unas pocas fundiciones de silicio, como las de Noruega, funcionan principalmente con energía hidroeléctrica [6]. [De hecho, la mayoría de las nuevas plantas fotovoltaicas están conectadas a centrales eléctricas de carbón.
De un análisis del mercado del polisilicio para 2020: "...la electricidad para las nuevas fábricas proviene de centrales eléctricas de carbón. El polisilicio producido -y los paneles solares fabricados con él- dejan así una gran huella de carbono". [3]
De un informe de la industria de julio de 2020: "...una nueva planta de polisilicio...en el noroeste de China...comenzó la producción en octubre de 2018...Obteniendo electricidad de una central eléctrica de carbón cercana a una tarifa muy baja..." [4]
De una guía para inversores de 2017: "...La energía fotovoltaica es una de las energías renovables de rápido crecimiento fuentes de energía renovable en el mundo... irónicamente... todo esto está impulsado por el bajo LCOE de las centrales de carbón en China." [5]
O como dice una propuesta de 2018 para la fabricación de energía fotovoltaica en la India: "...El gobierno también podría proporcionar una instalación de planta de energía dedicada para suministrar energía confiable y de baja tarifa similar a la de China...Una planta de energía de carbón dedicada se establece en las proximidades de [la nueva] planta de polisilicio" [6]
Del proyecto de la planta de polisilicio: "...Una vez terminada la planta de polisilicio, Shansheng New Energy será una empresa empresa fotovoltaica integrada verticalmente con sus propias minas de carbón y cuarzo, planta de generación de energía a base de carbón..." [11]
Como la mayoría de las fundiciones, refinerías de polisilicio, productores de lingotes, fábricas de células y módulos funcionan en redes alimentadas principalmente por combustibles fósiles, la cantidad adicional de carbón, coque o gas que que se quema para suministrar energía las 24 horas del día a las fábricas fotovoltaicas puede ser mayor que la cantidad necesaria de carbón usada en la fundición del silicio a partir del mineral. Así que, para ser realistas, todo esto debe añadirse también a la "factura de los combustibles fósiles" para la producción e implantación de la energía fotovoltaica. a la "factura de los combustibles fósiles" para la producción y el despliegue de la energía fotovoltaica. [40]
13. Infraestructura de fabricación fotovoltaica
La construcción y el mantenimiento de las instalaciones de producción fotovoltaica requieren una considerable inversión inicial de combustibles fósiles y otros recursos minerales no renovables [40]. También hay que consumir recursos fósiles adicionales de forma continuada para la reparación, el mantenimiento y la eventual sustitución de todo el equipo de producción a lo largo del tiempo [47]. Sin embargo, toda esta energía incorporada y todos esos combustibles fósiles se han excluido del anterior "análisis del ciclo de vida" (ACV) y del "tiempo de recuperación de la energía" (EPBT) de los productos solares fotovoltaicos por definición. [48] Por lo tanto, estos costes ocultos del agotamiento de los recursos fósiles, de la energía fósil y de las emisiones, así como la contaminación ambiental resultante del crecimiento de la infraestructura de fabricación de productos fotovoltaicos, ni siquiera se han tenido en cuenta en la mayoría de los análisis anteriores.
14. Integración en la red de los sistemas fotovoltaicos
Las instalaciones fotovoltaicas sólo pueden producir energía durante el día y con tiempo despejado. Por tanto, si se añade la fotovoltaica a una red eléctrica existente, hay que mantener el 100% de la capacidad de generación convencional para utilizarla por la noche y durante los largos periodos de mal tiempo. Además, la introducción de fuentes de energía intermitentes en las redes existentes suele aumentar los costes de los ciclos y las emisiones de CO2 de las centrales térmicas fósiles existentes. La variabilidad inherente a la producción fotovoltaica debido a de la energía fotovoltaica debida a los cambios meteorológicos diarios puede requerir que se añadan a la red turbinas de gas de "arranque rápido" o de "reserva giratoria" en la misma medida que los sistemas de generación de electricidad de gas de "arranque rápido" o de "reserva giratoria" para evitar el colapso de la red. [52]
Además, si se desea obtener algún tipo de energía de las instalaciones fotovoltaicas después de la puesta de sol, habrá que utilizar algún medio para convertir la electricidad fotovoltaica en alguna otra forma de energía para su uso posterior. En la actualidad, las baterías de litio son la forma más común de "almacenamiento" de energía. Sin embargo, estudios anteriores han demostrado que las baterías de litio añade una carga excesiva de energía incorporada a los sistemas fotovoltaicos que ya funcionan con un déficit energético neto. Así, cuando se añaden baterías de litio a cualquier sistema fotovoltaico, el rendimiento energético neto global del sistema pasa a ser negativo, ya que "las tecnologías fotovoltaicas [CIGS y sc-Si] no pueden "permitirse" ningún tipo de almacenamiento mientras siguen suministrando un excedente de energía a la sociedad... ya que ya están operando con un déficit". [47]
Además, se llevaron a cabo pruebas reales de tres sistemas de almacenamiento EES a escala de red en funcionamiento incluyendo la mayor instalación de baterías de litio a escala de servicio público en Europa desde 2015. El estudio concluyó que "Las eficiencias de ida y vuelta de los sistemas EES [de iones de litio] se han calculado... entre el 41% y el 69% por lo que, en promedio, casi la mitad de la electricidad suministrada a las tres baterías de Li a escala de red no se devolvió a la red como energía utilizable. [50]
15. Eliminación de las instalaciones fotovoltaicas al final de su vida útil
Debido a las numerosas transformaciones complejas e irreversibles de los materiales que tienen lugar durante la producción, los componentes caducados de los sistemas de energía fotovoltaica no pueden reciclarse en su totalidad. Aunque pueden existir flujos de recuperación a escala comercial para los componentes externos de vidrio, aluminio, cobre o acero, millones de conjuntos de células fotovoltaicas totalmente encapsuladas, inversores de CC/CA, reguladores de carga, etc., constituyen una acumulación cada vez mayor de "residuos electrónicos" no reciclables al final de su vida útil típica:
"Lu Fang, secretario general de la decisión sobre fotovoltaica de la Sociedad de Energías Renovables de China Sociedad de Energías Renovables de China, escribió... Para 2050 estos residuos de paneles [fotovoltaicos] sumarían 20 millones de toneladas, o 2.000 veces el peso de la Torre Eiffel".
"Tian Min, director general de Nanjing Fangrun Materials, una empresa de reciclaje de la provincia de Jiangsu que recoge los paneles solares retirados, dijo que la industria de la energía solar era una bomba de relojería. "Explotará con toda su fuerza en dos o tres décadas y destrozará el medio ambiente, si la estimación es correcta" [53]
16. Conclusiones
Aparte de la continua deforestación necesaria para proporcionar las astillas y el carbón vegetal utilizados en la fabricación de la energía fotovoltaica, ninguna parte de los sistemas de energía fotovoltaica se autorreproduce en la naturaleza. Por lo tanto la percepción pública de la energía fotovoltaica como fuente de "energía renovable" debe ser reexaminada. Como cualquier otra tecnología moderna, cada aspecto del desarrollo de la energía solar fotovoltaica requiere un aporte de combustibles fósiles y energía. Por lo tanto, las políticas gubernamentales o institucionales que promueven la energía fotovoltaica como un sustituto "libre de carbono" de los combustibles fósiles deben ser reconsideradas. En general, debe cuestionarse el mérito de seguir gastando combustibles fósiles en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red a escala de los servicios públicos.. [40][47][50]
16. Conclusiones
Aparte de la continua deforestación necesaria para proporcionar las astillas y el carbón vegetal utilizados en la fabricación de la energía fotovoltaica, ninguna parte de los sistemas de energía fotovoltaica se autorreproduce en la naturaleza. Por lo tanto la percepción pública de la energía fotovoltaica como fuente de "energía renovable" debe ser reexaminada. Como cualquier otra tecnología moderna, cada aspecto del desarrollo de la energía solar fotovoltaica requiere requiere un aporte de combustibles fósiles y energía. Por lo tanto, las políticas gubernamentales o institucionales que promueven la energía fotovoltaica como un sustituto "libre de carbono" de los combustibles fósiles deben ser reconsideradas. En general, el mérito de seguir de los combustibles fósiles en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red a escala de los servicios públicos. de la red. [40][47][50]
Cuando se tienen en cuenta todos los costes ocultos de la energía solar fotovoltaica, se hace más evidente que la tecnología que pretendía reducir las emisiones de CO2 puede resultar menos beneficiosa para el medio ambiente en su conjunto de lo que se suele suponer. [19] [40] [47] Ciertamente a partir de este momento, hay que reflexionar más sobre estas intenciones, poner a prueba las hipótesis, las posibles consecuencias evaluadas, antes de determinar el camino a seguir.
Agradecimientos: El autor desea ofrecer su más sincero agradecimiento a Vytautas Butrimas, del Centro de Excelencia de la OTAN, por su interés, su perspicacia, su paciente supervisión y su atenta y a su paciente supervisión, así como a su atenta ayuda en muchos niveles durante la preparación de este artículo para su publicación, y al Dr. Reiner Zimmermann por concederle el privilegio de someter este trabajo a su consideración.