Países como Francia, y recientemente Corea del Sur, están regulando la huella de carbono de los módulos fotovoltaicos que pueden optar a licitaciones y subsidios para instalaciones a gran escala, ya que el impacto medioambiental de la fotovoltaica se concentra en la fase de producción.
El artículo “Upgraded metallurgical grade silicon and polysilicon for solar electricity production: A comparative life cycle assessment”, publicado por Aurinka PV Group en la revista Science of the Total Environment, de Elsevier, realiza una revisión exhaustiva del Análisis de Ciclo de Vida (LCA por su nombre en inglés) de la cadena de valor fotovoltaica (El Life Cycle Assessment, LCA, es un enfoque exhaustivo, estandarizado y reconocido internacionalmente para cuantificar todas las emisiones, el consumo de recursos y los impactos medioambientales y para la salud humana relacionados con un producto). Los autores del trabajo, realizado en colaboración con el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), afirman que, en su conocimiento, este es uno de los primeros y más completos estudios de este tipo.
En concreto, se ha estudiado la producción de materia prima (silicio de grado metalúrgico a partir de cuarzo); la producción de la materia prima de silicio de grado solar (silicio UMG de Ferrosolar y polisilicio para aplicaciones solares); la producción de lingotes y obleas de silicio multicristalino; la fabricación de células solares multicristalinas Al-BSF; la fabricación de módulos fotovoltaicos multicristalinos; el resto del sistema (equipamiento eléctrico, estructuras, cableado, etc.) (BoS), montaje en tierra y equipo eléctrico para una planta de 100 MWp; y la instalación, operación y mantenimiento del sistema fotovoltaico.
En términos generales, no se ha tenido en cuenta el transporte de los diferentes materiales entre las fases de producción, a excepción del transporte de los módulos fotovoltaicos hasta la ubicación del emplazamiento fotovoltaico. El embalaje solo se ha tenido en cuenta en el caso de las obleas, debido a su fragilidad, y en el de los módulos fotovoltaicos, que deben ser protegidos para ser transportados al emplazamiento fotovoltaico.
UMG vs. silicio convencional
La tecnología de silicio cristalino representa aún más del 95% del mercado mundial y cabe suponer que seguirá siendo así en los próximos años. No obstante, su uso para las células se ha reducido significativamente durante la última década, pasando de unos 16 a menos de 4 g/Wp debido al aumento de la eficiencia, a obleas más finas y a lingotes y células más grandes.
En la actualidad, la demanda del mercado de silicio de grado solar se cubre casi por completo con polisilicio, producido por diferentes configuraciones del proceso Siemens. Las alternativas son el silicio solar de lecho fluido (FBR) y el silicio de grado metalúrgico mejorado (UMG\Si), e incluso la reducción carbotérmica directa de sílice. Todas ellas tienen en común su menor consumo energético y, por tanto, su baja huella energética y de carbono.
El silicio UMG evaluado en el estudio ha sido fabricado vía metalúrgica mediante el proceso desarrollado por Ferrosolar en España. En un estudio previo de producción en masa, realizado en líneas de producción de células y módulos solares comerciales, esta materia prima ha demostrado ser adecuada para aplicaciones fotovoltaicas, alcanzando, en una línea de producción convencional, hasta un 20,76% de eficiencia de la célula solar con células multicristalinas fabricadas al 100% con silicio UMG.
Los impactos ambientales potenciales se han estimado utilizando las directrices recogidas en la Methodology Guidelines on LCA of Photovoltaic Electricity, de la Agencia Internacional de la Energía (AIE) y siguiendo el método de evaluación de impacto EF 3.0, propuesto por la Unión Europea (UE).
Se han seleccionado las emisiones de cambio climático (CC) y el tiempo de retorno de la energía (Energy Payback Time, EPBT) como indicadores principales y también se informa sobre la demanda energética acumulada (CED) y la acidificación (terrestre y de agua dulce) (ATF).
El silicio, hasta un 50% menos CC en España
Todos los cálculos se han realizado para las materias primas de UMG-Si y polisilicio considerando dos mix de electricidad diferentes: español y chino. El año de referencia utilizado para ambos mixes es 2018, para el que se disponía de datos homogéneos. Se ha seleccionado el mix español porque el proceso Ferrosolar está destinado a realizarse en las instalaciones situadas en Puertollano, España, y puede considerarse entre los mixes de menor intensidad de carbono. Se ha seleccionado el mix chino para la comparación porque China es actualmente el principal fabricante de dispositivos fotovoltaicos, alcanzando una cuota de mercado superior al 70% en todas las etapas de la cadena de valor. El mix chino es un mix de alta intensidad de carbono.
Como era de esperar, debido a la mayor intensidad de carbono de su combinación energética, el resultado del CC de la producción de UMG en China es un 33% mayor que el del mismo proceso en España.
Uno de los resultados más importantes del estudio fue la comprobación de que el uso del UMG\\Si de Ferrosolar, en lugar del polisilicio convencional, puede conducir a una reducción de más del 20% de las emisiones de cambio climático para el mix de España (12 frente a 15 g CO2 /kWh) y más del 25% para el EPBT de la electricidad generada (0,52 frente a 0,68 años) durante la vida útil prevista del sistema fotovoltaico, considerada de 30 años.
En cuanto al silicio utilizado como materia prima, la reducción del impacto en la categoría de Cambio Climático (CC) obtenida fue del 50% para el mix español (18 frente a 56 gramos de CO2 emitido por cada kg de silicio producido, CO2 /kg), siendo la electricidad y el silicio de grado metalúrgico los principales contribuyentes. Aunque los resultados obtenidos para el UMG-Si son alentadores, Aurinka, en colaboración con el IES (Instituto de Energía Solar), NTC (Nanophotonics Technology Center) y GÜNAM (Turkish Center for Solar Energy Research and Applications) está evaluando una tecnología de célula solar más avanzada para encontrar el verdadero potencial de este material.
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