Paneles solares: otro ejercicio de pensamiento mágico | Cuentas de cuarzo Weifang Co., Ltd.

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Creo que ya es hora de que acabemos con el mito de que los paneles solares son “sostenibles”, “verdes” y “renovables” de una vez por todas. Ellos no son nada de esto. Contrariamente al sentido común, lo que generan los paneles fotovoltaicos no es electricidad, sino otra ronda de “problemas por resolver”. No se equivoquen, es una tecnología fascinante, pero hay una forma mucho mejor y más sencilla de aprovechar el poder del sol, una que no implica el saqueo de todo el planeta.

La energía solar es el futuro, pero no como te lo dicen.

Debo decir que estoy desconcertado por la falta de comprensión técnica que se muestra en el espacio de las “energías renovables” y la “electrificación”. Se arrojan datos estadísticos sobre la mejora continua de la TRE (retorno energético de la energía invertida) y la caída de los costes como si no hubiera un mañana. Estos cálculos, sin embargo, se basan en una comprensión muy limitada de cómo se fabrican los paneles solares, al tiempo que descartan por completo una serie de insumos esenciales para la creación de esta tecnología mágica.

Quiero decir, ¿no es mágico que coloques una losa de vidrio negro (o azul) brillante en tu techo y genere electricidad de la nada? Después de todo, no debería sorprendernos que ahora se estén instalando tantos con la esperanza de reducir las facturas de electricidad, que su implementación continua amenace el mismo servicio que pretendían hacer más barato y accesible. Aparentemente nadie advirtió a los usuarios desprevenidos que la magia sólo funciona a pequeña escala (generalmente en un santuario llamado "laboratorio" y realizado por magos vestidos con túnicas blancas) y que un almuerzo gratis sigue siendo lo que es: un pastel en el cielo.

Algunos ajustes de cuentas están en su debido orden.

Entonces, comencemos con lo básico, ¿de acuerdo? Primero, echemos un vistazo a de qué están hechos estos paneles solares. Por su peso, el componente más pesado del producto es la cubierta protectora de vidrio y el marco de aluminio que lo mantiene todo junto. La esencia de la tecnología, donde ocurre la magia (el conjunto de obleas de silicio pegadas a la parte posterior del vidrio) en realidad pesa menos del 10% del peso total de un panel. Ahora sólo necesita agregar algo de cableado para conducir la electricidad lejos del panel y ¡ya está todo listo! (Está bien. Casi).

Aquí es donde las cosas se ponen complicadas. la fabricacion (y no el ensamblaje) de todos estos componentes es lo que requiere una cantidad brutal de energía. Para fundirlo, el vidrio, por ejemplo, debe calentarse entre 1.500 y 1.700°C (2.700-3.100°F), un rango de temperatura totalmente fuera del calentamiento por resistencia eléctrica y muy por encima de las lecturas de los núcleos fundidos del reactor de Fukushima. En otras palabras: algo que sólo se puede lograr quemando combustibles fósiles (principalmente gas natural) e hidrógeno. (En cuanto a por qué el hidrógeno no es la mejor idea, lea mi publicación anterior sobre el tema). Derretir y verter vidrio en láminas tampoco es algo que se haga de forma intermitente: es una operación 24 horas al día, 7 días a la semana. Una pérdida abrupta de calor puede provocar fácilmente que el vidrio se "congela" en el horno y en otras partes del equipo, haciendo imposible su extracción por otros medios que no sean el uso de dinamita y martillos neumáticos.

Luego viene el aluminio: es algo más fácil de fundir y trabajar con él, una vez que se tiene una losa limpia para fabricar láminas, pero fabricar aluminio puro a partir de su mineral (bauxita) requiere 17 kWh de energía por cada kilogramo de metal. Nuevamente, esto no es algo que se haga de forma intermitente. La fundición es una operación sostenida, que consume tanta energía que la mayoría de las fundiciones suelen tener sus propias centrales eléctricas alimentadas con carbón, literalmente al lado.

Naturalmente, las materias primas (arena para el vidrio y bauxita para el aluminio) tampoco son gratuitas. Ambos deben ser extraídos y transportados en camiones con una enorme maquinaria propulsada por diésel (no, las baterías y el hidrógeno tampoco sirven aquí), y luego transportados a una fábrica, donde se produce la fusión y fundición mencionadas anteriormente. Bueno, como siempre, sin petróleo no hay minería (a escala) y, por lo tanto, no hay materias primas para esos paneles mágicos tan brillantes en tu techo. (Por cierto, lo mismo ocurre con el pegamento que mantiene unido el panel: está hecho de petróleo, al igual que muchos otros productos químicos y todos los plásticos que utilizamos en la industria).

Ahora, unas palabras sobre el corazón de todo panel fotovoltaico: la oblea de silicio. La mayoría de los paneles que se producen hoy en día están hechos de silicio monocristalino, producido mediante el proceso Czochralski.

El silicio de alta pureza de grado semiconductor (sólo unas pocas partes por millón de impurezas) se funde en un crisol a 1.425 °C (2.597 °F), generalmente hecho de cuarzo.

Esta vez, debido a las propiedades eléctricas del silicio puro de grado metalúrgico, podemos utilizar calentamiento por radiofrecuencia o por inducción. Sin embargo, este método todavía requiere un suministro de electricidad muy estable, responsable del fuerte campo magnético necesario para calentar y organizar los átomos de silicio. Es un proceso tan delicado que un pequeño fallo puede arruinar todo el lote. (Si se pregunta por qué las obleas de paneles solares no se fabrican con electricidad a partir de paneles solares, no busque más). Esto sin mencionar el hecho de que necesita electricidad a una escala verdaderamente industrial. No unos pocos kilovatios hora aquí y allá, sino del orden de megavatios durante 30 horas sin la más mínima interrupción, para poder extraer un monocristal de dimensiones económicas, que pesa varios cientos de kilogramos. Como el siguiente:

Ahora viene el corte y el corte: duplicar efectivamente la energía gastada en cada gramo de silicio que llega a un panel solar. La pérdida de corte por sí sola (aserrín resultante de las operaciones de corte) asciende al 30% del peso total de la torre de cristal de arriba, sin mencionar el hecho de que es necesario cortar rectángulos de las obleas redondas... Los restos pesan literalmente más que el propias células solares. Toda esta actividad, más el pulido de las rodajas, requiere una dosis extra de energía, pero lamentablemente aquí es donde los cálculos de EROEI, como este informe fotovoltaico del Instituto Fraunhofer alemán, suelen detenerse. Preguntas como: '¿Cómo llega el silicio de calidad metalúrgica a la planta de fabricación?' rara vez se preguntan. Supongo que simplemente aparecía mágicamente en el almacén por la noche. Como las láminas limpias de aluminio y vidrio.

¿Qué pasa entonces con la minería, el transporte, la refinación, la fundición y la fusión? ¿Qué pasa con las máquinas, camiones, barcos, excavadoras y volquetes construidos únicamente con el fin de extraer cuarzo de alta pureza (o SiO4, la materia prima para la producción de silicio)? ¿Qué pasa con el coste energético que supone deshacerse de esos cuatro molestos átomos de oxígeno adheridos a un átomo de silicio? ¿Qué pasa con la fabricación, el transporte y los residuos de vidrio? ¿Qué pasa con la producción de aluminio, la extracción de bauxita y la electrólisis del marco? ¿Y las máquinas mineras, camiones, barcos, excavadoras, dumpers construidos exclusivamente para este fin? En el mejor de los casos, los cálculos de la EROEI suponen que estos factores logísticos son un hecho y se calculan con el costo energético directo de ensamblar un panel más los costos energéticos directos extremadamente subestimados de sus materias primas. ¿Qué pasa con el resto de arriba? Lo has adivinado bien: todo está omitido y se supone que está simplemente... allí. ¡Soplo! ¡Magia!

Eso sí, no hay nada nuevo ni revolucionario en toda esta locura solar. Estamos utilizando una tecnología de fabricación inventada en 1915, aplicada a la extracción de monocristales de silicio en la década de 1950. Hoffman Electronics creó una célula solar comercial con una eficiencia del 10% en 1959 y aumentó su eficiencia al 14% solo un año después. Claro, al principio estos paneles eran tan escandalosamente caros que sólo la NASA podía permitírselos... Aún así, estaban ahí. Ya sabíamos hacerlos, hace 64 años.

Y por más absurdo que pueda parecer todo esto para los creyentes en el progreso, mi padre todavía era un niño pequeño cuando los paneles solares ya volaban en el espacio.

La producción comercial a gran escala de esta tecnología solo dependía de encontrar una fuente de energía abundante para impulsar los procesos de fundición de aluminio, vidrio y silicona monocristalina. A escala. No se necesitaron inventos ingeniosos. Dado que estamos hablando de una tecnología más antigua que la mayoría de nosotros, los últimos frutos maduros en la eliminación de costos de fabricación ya se cosecharon hace 20 años. La única pregunta era: ¿qué fuente de energía utilizar? ¿Qué país en la Tierra podría alimentar a todos estos brutales acaparadores de energía, sin mencionar proporcionar mano de obra calificada dispuesta a trabajar 12 horas al día, 6 días seguidos...? Mmm…

La respuesta era más sencilla de lo que la mayoría pensaba: China. Un país que ahora es responsable de quemar el 50% de todo el carbón extraído en este planeta. El alto calor y la electricidad estable proveniente de los combustibles fósiles más sucios, combinados con una globalización sin restricciones, es lo que hizo posibles los paneles solares baratos. Lo que estamos viendo son puras economías de escala, combinadas con energía relativamente barata y abundantes materias primas, todo ello en un solo lugar. O mejor dicho, lo que antes era energía barata y materias primas abundantes…

Pero, pero, pero… ¿Pero qué pasa con la marcha imparable de la tecnología que eleva la eficiencia de los paneles solares por las nubes? Efectivamente, el rendimiento es un factor clave para obtener un alto retorno de la inversión en energía. Sin embargo, las mejoras en la eficiencia no han sido gratuitas. La respuesta a la pregunta de cómo las células solares se han vuelto tan eficientes recientemente reside en su composición material. Lamento disipar esto también, pero realmente no hay nada mágico en esto. (Está bien, sólo un poco.) La solución fue agregar materiales caros, corrosivos y venenosos como el galio a la oblea de silicio; complementado por un mayor nivel de complejidad (nuevos métodos de fabricación, más capas, etc.) Y aunque estos metales representan sólo una cantidad minúscula del peso total de un panel, sin ellos volveríamos a un rango de eficiencia bastante decepcionante (prácticamente la mitad de los mejores de su clase de hoy). Sin embargo, la historia no terminó con el galio. Hay varios otros elementos involucrados en la fabricación de paneles súper eficientes multicapa (llamados multiuniones) de primer nivel que alcanzan una eficiencia del 45%. Eche un vistazo a este sándwich club para empezar:

Estas células no se producen en masa por una muy buena razón: costo y complejidad. Lo que constituye la mayor parte de las ventas hoy en día son, por tanto, simples paneles de silicio monocristalino con una eficiencia típica del 15-18% (medida en luz solar convertida en electricidad con el mejor rendimiento de su clase del 24-25%). Sin embargo, estas células todavía requieren un metal raro llamado germanio en el proceso de fabricación para alcanzar tales niveles de rendimiento. De nuevo, un mineral finito controlado por China, pero esa es una historia para otro día. Algo sin lo cual experimentaríamos una caída significativa en la eficiencia (sin mencionar el cableado de cobre, cuya sustitución simplemente no sirve de nada). No es particularmente difícil entender que los paneles solares producidos por millones (algo que se espera que aumente a medida que se desarrolle la “transición energética”) agotarían rápidamente las reservas existentes de galio y germanio y, por lo tanto, nos obligarían a regresar a una economía más simple. composición del material. Parece que aumentar la eficiencia tiene costos ocultos y viene con condiciones...

Lo siento, ni metal ni magia.

Sin embargo, dondequiera que hay fabricación, también hay desmantelamiento. Cuando estos paneles lleguen al final de su ciclo de vida, normalmente dentro de 25 años, serán desguazados. Se plantea la pregunta: ¿qué hacer con todos estos residuos? (Recuerde, los materiales que se encuentran en un panel a menudo son venenosos para la vida, por lo que es imperativo que nos deshagamos de ellos de manera segura).

Todavía podría haber una cantidad manejable de 4 millones de toneladas de paneles solares para desechar para 2030, pero la cantidad podría aumentar a más de 200 millones de toneladas a nivel mundial para 2050 a medida que aumente el despliegue de energía solar.

Esa es una cantidad considerable, por decir lo menos... ¡Entonces alguien seguramente los reciclará! ¿Bien? Pues bien, según el artículo citado anteriormente: “los componentes del panel de mayor valor son el aluminio, la plata, el cobre y el polisilicio. La plata representa alrededor del 0,05% del peso total pero constituye el 14% del valor material”. Esto ya demuestra cómo pequeñas cantidades de metales caros pueden ser el centro de atención. Sin embargo, no ocurre lo mismo con el germanio, el galio, el arsénico y todos los demás aditivos utilizados en la producción de obleas. Se añaden literalmente en pequeñas cantidades al silicio: en el rango de partes por millón (ni siquiera una fracción de porcentaje). No es de extrañar que las empresas de reciclaje no se centren en nada de eso, sino en la plata y el aluminio. Estos metales, que se encuentran en cantidades mucho mayores, se pueden extraer utilizando disolventes agresivos y altamente venenosos, después de que los paneles se hayan convertido en polvo.

El proceso que utiliza estos solventes recupera más del 90% de la plata y el aluminio en un período de 10 minutos. La plata recuperada es de alta pureza, lo que significa que puede reutilizarse en entornos industriales.

Diablos, esto no es diferente a extraer un mineral de plata con una ley del 0,05%. Aquí, sin embargo, en lugar de rocas provenientes de una mina cercana, tendríamos que lidiar con paneles solares que se mueven por la superficie del globo. Entonces, si pensaba que la minería tenía problemas para mover cantidades cada vez mayores de rocas a medida que la calidad del mineral se degrada lentamente, espere hasta que sea necesario reciclar los paneles solares... Sin embargo, a medida que se desarrolla el agotamiento de la energía (o más bien la 'gran y loca lucha energética'), todos esto será aún más “desafiante”…

Aunque a primera vista el vidrio parece reciclado, el uso de vidrio recuperado se limita a productos menos valiosos, lo que supone un problema con los elevados costes de transporte.

La energía es la economía. Dado que siempre tendrás que gastar más energía en el reciclaje debido al mayor costo de transporte, entonces ¿para qué molestarse…?

Otra cosa a considerar es la degradación de los materiales con cada ronda de reciclaje. Aunque en teoría los metales se pueden reciclar sin que su calidad disminuya, esto sólo es válido para entornos limpios en un laboratorio que utilice metales puros al 99,99%. Una vez que se compran restos de todo el mundo, que contienen "quién sabe qué tipo" de aleaciones de aluminio, obleas de silicio del tipo "sólo Dios sabe" y vidrio de marca "sin pista", además de todos los La suciedad y la contaminación que dos décadas pueden dejar atrás, sólo se puede mezclar una pequeña porción de este material curioso en aluminio, vidrio y silicio nuevos sin degradar la calidad hasta el punto de volverla poco confiable.

Después de descubrir que no existe una forma viable de reciclarlos a escala (olvídese incluso de las tasas del 90%) y comprender la difícil situación de quedarse sin materiales exóticos para mantener el rendimiento (y, por lo tanto, el retorno de energía lo suficientemente alto), he aquí un enigma aún mayor que resolver. : ¿Cómo fabricar estas células una vez que los combustibles fósiles estén fuera de escena…? ¿Cómo impulsar camiones y excavadoras que extraen bauxita y cuarzo de la mina…? ¿Cómo proporcionar megavatios y gigavatios de electricidad estable las 24 horas del día, los 7 días de la semana para fundir aluminio y cultivar monocristales de silicio...? ¿Cómo fundir vidrio sin gas natural…? ¿Cómo enviar las materias primas y los paneles al otro lado del mundo…? Y por favor no me hagáis hablar de la fusión...

Seamos honestos (al menos con nosotros mismos): los paneles fotovoltaicos no son, y nunca fueron, una "tecnología viable" (es decir, algo que es capaz de reproducirse). El carbón pudo extraerse mediante carbón al menos hasta principios de la década de 1920, pero los paneles solares (al menos hasta ahora) no lograron producir nuevos paneles solares. Mientras tengamos el lujo de contar con amplios suministros de combustibles fósiles que proporcionen la energía y entreguen las materias primas necesarias para que se produzca la magia de la fabricación de paneles solares, seguiremos produciendo esos paneles, sin tener en cuenta los límites materiales o los insumos reales de energía. … ¿y luego?

No hay proyectos que pretendan fabricar paneles solares utilizando únicamente electricidad “renovable” y materiales reciclados por una muy buena razón: no tenemos la menor idea de cómo hacerlo realmente. La fabricación de paneles fotovoltaicos requiere grandes cantidades de electricidad estable, diésel y gas natural. Los paneles en sí son prácticamente no reciclables: todo su vidrio, junto con una buena parte de su contenido metálico, siempre quedará atrás. La lixiviación de arsénico de los paneles rotos contaminará el suelo durante décadas, si no siglos, en los próximos años. Los disolventes utilizados en el reciclaje (si se prueban) harán lo mismo. El material que se recupere estará tan contaminado (o será de composición desconocida) que será necesario mezclar con él grandes porciones de nuevos materiales para que sea adecuado para la producción de nuevos paneles. Los paneles de alta tecnología y alta eficiencia requieren metales exóticos y raros, cuyo suministro se limita a unos pocos países, sin mencionar el hecho obvio de que algún día agotaremos todas las reservas económicamente disponibles. Si estaba buscando una tecnología bajo el término "callejón sin salida", entonces, querido lector, no busque más.

Teniendo todo este conocimiento, es mucho más apropiado pensar en un panel solar como un portador de energía, como una barra de combustible de uranio. Un consumible que proporciona energía en función del clima, pero que eventualmente se destruirá en el proceso y tendrá que ser desmantelado. Con su uso, al igual que con el uranio o los combustibles fósiles, estamos aprovechando activamente un conjunto de recursos materiales finitos y convirtiéndolos en desechos peligrosos, en lugar de aprovechar un "flujo infinito de energía".

Estamos intercambiando metales y combustibles fósiles por un poco de energía extra, algo tan predeciblemente intermitente que las redes eléctricas de todo el mundo ahora tienen problemas para admitir cada vez más energía en la red. Como resultado, ahora hay un exceso de oferta de paneles solares, que llenan los almacenes y esperan ser instalados. No es una señal de que éste sea el camino a seguir, pero ¿quién soy yo para decírselo?

¿Existe entonces una mejor manera de utilizar la energía solar? ¡Seguro! Para empezar, podríamos simplemente abandonar este loco hábito de convertir materiales finitos en basura y destruir ecosistemas enteros en el proceso. Dejemos que los árboles, arbustos, plantas y animales usen el poder de nuestra estrella central y comiencen a sanar el daño que hemos causado. Dado que es una tarea difícil y tenemos que hacer algo antes de permitir que eso suceda, ¿por qué no utilizar el Sol como fuente de calor?

¿Por qué no utilizar un tambor pintado de negro para calentar agua en el techo para empezar? ¿O qué tal construir un horno solar? De manera similar, podríamos utilizar grandes platos de metal pulido para concentrar la luz solar en un solo punto y convertirla en trabajo mecánico mediante el uso de motores térmicos simples, como un motor Striling.

Efectivamente, no parecerá de alta tecnología como un panel solar (se parece mucho a algo sacado de una película steam punk retro-futuro), pero se podrían hacer muchísimas cosas con él. Por ejemplo, conectando un generador (desde un automóvil parado debido a la falta de combustible asequible) se podría producir una corriente estable de 12 voltios. Si se construye más grande, puede moler semillas para consumo humano, extraer agua de un pozo y realizar todo tipo de trabajos útiles. Dado que la fuente de calor es externa, literalmente puedes encender un fuego debajo de ella, en caso de que se ponga el sol.

Por supuesto, el de arriba es el más simple en diseño; sin embargo, con algo de trabajo de ingeniería, se podrían idear motores térmicos mucho más eficientes. Estas máquinas simples podrían fácilmente servir como base para un nuevo paradigma energético. No tan exuberante como el que tenemos ahora, pero mucho mejor que tener que ver cómo toda la relación energía-economía cae en ruinas. No importa si se hace a gran o pequeña escala, el principio central de este nuevo paradigma basado en el calor solar sigue siendo el mismo: en lugar de utilizar materiales exóticos de tierras lejanas, extraídos, transportados, fundidos y derretidos por combustibles fósiles, se podrían construir un dispositivo de este tipo desde cero. Incluso en casa. No se necesitan crisoles de cuarzo calentados a 1400 grados bajo una atmósfera protectora. Sin relaves tóxicos. No hay ecosistemas destruidos. Sólo tú y tus manos. Y mucha chatarra dejada por esta civilización fallida, esperando renacer como algo realmente útil.

Hasta la proxima vez,

fabricación