Los paneles solares brillando bajo el sol son un ícono de todo lo que es verde. Pero aunque generar electricidad mediante el sol es en efecto mejor para el ambiente que quemar combustibles fósiles, varios incidentes han vinculado la fabricación de estos símbolos brillantes de virtud ambiental con un rastro de contaminación química. Además, resulta que el tiempo que toma compensar la energía usada y los gases de efecto invernadero emitidos durante la producción de celdas y paneles solares varía sustancialmente con la tecnología utilizada y la geografía.
Esa es la mala noticia. La buena es que la industria podría eliminar muchos de los efectos secundarios perjudiciales que existen. De hecho, la presión para que lo haga es creciente, en parte porque desde el 2008, la fabricación de paneles y celdas se ha movido de Europa, Japón y Estados Unidos a China, Malasia, Filipinas y Taiwán; hoy en día cerca de la mitad de estos se fabrican en China. Sin embargo, aunque la trayectoria global de la industria es buena, los países que hoy producen la mayor cantidad de paneles y celdas normalmente hacen el peor trabajo para proteger al ambiente y a sus trabajadores.
Para entender con exactitud cuáles son los problemas y cómo deberían abordarse, es útil tener algo de conocimiento sobre la forma en que se fabrican las celdas solares. Mientras se puede generar energía solar usando una gran variedad de tecnologías, la gran mayoría de celdas inician como cuarzo, la forma más común de sílice (dióxido de silicio), el cual se refina a silicio elemental. Ahí está el primer problema: el cuarzo se extrae de las minas, lo que pone a los mineros en riesgo de uno de los peligros laborales más antiguos de la civilización, lasilicosis pulmonar.
La refinación inicial convierte el cuarzo en silicio de grado metalúrgico, una sustancia que se usa principalmente para endurecer el acero y otros metales. Eso sucede en grandes hornos que para mantenerlos calientes se requiere de una gran cantidad de energía, un tema que luego retomaremos. Afortunadamente, los niveles de las emisiones resultantes, en su mayoría dióxido de carbono y dióxido de sulfuro, no causan mayor daño a las personas que trabajan en las refinerías de silicio o al ambiente de una forma inmediata.
Sin embargo, el siguiente paso, convertir el silicio de grado metalúrgico en una forma más pura llamada polisilicio, crea tetracloruro de silicio, un compuesto muy tóxico. El proceso de refinación implica combinar el ácido clorhídrico con silicio de grado metalúrgico para convertirlo en lo que se llama triclorosilano. Luego, el triclorosilano reacciona con el hidrógeno agregado y produce polisilicio con tetracloruro de silicio a medida de tres o cuatro toneladas de tetracloruro de silicio por cada tonelada de polisilicio.
La mayoría de los fabricantes reciclan este residuo para hacer más polisilicio. Capturar el silicio del compuesto de tetracloruro de silicio requiere de menos energía que obtenerlo del silicio puro, así que reciclar este residuo puede ahorrar dinero. Pero el equipo de reprocesamiento puede costar decenas de millones de dólares. Por tanto, algunas operaciones simplemente han desechado el subproducto. Si se expone al agua, lo que es difícil de prevenir si es casualmente vertido, el tetracloruro de silicio libera ácido clorhídrico, y esto acidifica el suelo y emite gases nocivos.
Cuando la industria de la energía solar era más pequeña, los fabricantes de celdas solares obtenían el silicio de constructores de microchips, los cuales rechazaban discos que no cumplían con los requerimientos de pureza de la industria de los computadores. Pero la explosión del mercado solar exigió más que las sobras de la industria de semiconductores, y en China se construyeron inmensas refinerías nuevas de polisilicio. Para entonces, pocos países tenían normas estrictas que cubrían el almacenamiento y desecho de residuos de tetracloruro de silicio, y China no era la excepción, como una periodista del Washington Post descubrió.
En un artículo de investigación publicado en marzo de 2008, Ariana Eunjung Cha describió una instalación china productora de polisilicio de propiedad de Luoyang Zhonggui High-Technology Co., ubicada cerca al río Amarillo en la provincia de Henan. Esta instalación suministraba polisilicio a Suntech Power Holdings, para aquel entonces el fabricante de celdas solares más grande del mundo, así como a otras compañías fotovoltaicas de alto perfil.
Los periodistas encontraron que la compañía estaba desechando los residuos de tetracloruro de silicio en campos vecinos en lugar de invertir en equipos que pudieran reprocesarlos, lo que dejaba estos campos inservibles para el cultivo e inflamaba los ojos y las gargantas de los residentes vecinos. Además, el artículo sugirió que la compañía no estaba sola en esta práctica.
Luego de la publicación de la historia del Washington Post, los precios de las compañías de energía solar cayeron. Los inversores temían que las revelaciones debilitaran una industria que depende tanto de sus credenciales verdes. Después de todo, eso es lo que atrae a la mayoría de clientes y recibe el apoyo público, que se inclina a favor de políticas que promueven la adopción de la energía solar como en el caso del Crédito Fiscal para Energía Residencial Renovable en los Estados Unidos, en el que aquellos que compren sistemas solares residenciales pueden deducir el 30 por ciento del costo de sus facturas de impuestos hasta que el incentivo venza en el 2016.
Para proteger la reputación de la industria, los fabricantes de paneles y celdas empezaron a averiguar sobre las prácticas ambientales de sus proveedores de polisilicio. Como consecuencia, ahora la situación está mejorando. En el 2011, China estableció unas normas que requieren que las compañías reciclen por lo menos un 98,5% de sus residuos de tetracloruro de silicio. Estas normas son fáciles de cumplir siempre y cuando las fábricas instalen el equipo apropiado. Todavía está por verse cómo están haciendo cumplir las reglas y su efectividad.
En el futuro este problema podría desaparecer por completo. Investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Golden, Colorado, Estados Unidos, están buscando formas de hacer polisilicio con etanol en lugar de químicos a base de cloro, evitando por completo de este modo la creación de tetracloruro de silicio.
La lucha por mantener los fotovoltaicos verdes no termina con la producción de polisilicio. Los fabricantes de celdas solares purifican trozos de polisilicio para formar lingotes como ladrillos y luego cortan los lingotes en placas. Luego introducen las impurezas en las placas de silicio, con lo que se crea la arquitectura esencial que produce el efecto fotovoltaico en las celdas solares.
Todos estos pasos implican químicos peligrosos. Por ejemplo, los fabricantes dependen del ácido fluorhídrico para limpiar las placas, remover el daño que queda del aserrado y texturizar la superficie para recolectar mejor la luz. El ácido fluorhídrico funciona muy bien para todas estas cosas, pero cuando entra en contacto con una persona sin protección, este líquido altamente corrosivo puede destruir el tejido y descalcificar los huesos. Así que la manipulación de ácido fluorhídrico requiere de extremo cuidado y este se debe desechar de manera adecuada.
Pero los accidentes ocurren y son más probables en lugares que tienen experiencia limitada en la fabricación de semiconductores o que tienen normas ambientales laxas. En agosto de 2011, una fábrica en la provincia Zhejiang de China, de propiedad de Jinko Solar Holding Co., una de las compañías de fotovoltaicos más grande del mundo, derramó ácido fluorhídrico en el cercano río Mujiaqiao, lo que acabó con cientos de peces. Además, los agricultores que trabajaban en las tierras adyacentes, quienes usaban el agua contaminada para limpiar a sus animales, de manera accidental, mataron docenas de cerdos.
Al investigar los cerdos muertos, las autoridades chinas encontraron niveles de ácido fluorhídrico en el río 10 veces mayores que el límite permitido y, presuntamente, ellos tomaron estas medidas mucho después de que el ácido fluorhídrico hubiera sido derramado. Cientos de residentes locales, molestos por el incidente, irrumpieron y temporalmente ocuparon las instalaciones de fabricación. Una vez más, los inversores reaccionaron: cuando al día siguiente los principales medios de comunicación llevaron la noticia, el precio de las acciones de Jinko cayeron más del 40 por ciento, lo que se tradujo en casi $100 millones de dólares perdidos para la compañía.
Esta amenaza al ambiente no tiene porqué continuar. Investigadores en Rohm & Haas Electronic Materials, una filial de Dow Chemical, han identificado algunos substitutos para el ácido fluorhídrico usado en la fabricación de celdas solares. Un buen candidato es el hidróxido de sodio (NaOH), que aunque es en sí un químico cáustico, es más fácil de tratar y desechar que el ácido fluorhídrico y es menos riesgoso para los trabajadores. También, es más fácil tratar el agua residual que contiene NaOH.
Aunque más del 90 por ciento de los paneles solares que se fabrican hoy en día comienzan con polisilicio, hay un enfoque más reciente: la tecnología de celdas solares de capa delgada. Probablemente, las variedades de capa delgada crecerán en el mercado en la próxima década, ya que pueden ser tan eficientes como las celdas solares a base de silicio e incluso más económicas de fabricar, ya que utilizan menos energía y materiales.
Los fabricantes de celdas de capa delgada depositan capas de un material semiconductor directamente sobre un sustrato de vidrio, metal o plástico en lugar de cortar placas a partir de un lingote de silicio. Esto produce menos residuos y evita por completo la fusión, extracción y corte complicados utilizados para hacer celdas tradicionales. En esencia, una pieza de vidrio entra en un extremo de la fábrica y un módulo fotovoltaico completamente funcional surge del otro.
Pasar a las celdas solares de capa delgada elimina muchos de los peligros ambientales y de seguridad de la fabricación, pues no hay necesidad de ciertos químicos problemáticos: ni ácido fluorhídrico o clorhídrico. Pero eso no significa que automáticamente se pueda poner el sello verde en una celda solar de capa delgada.
Las tecnologías de capa delgada dominantes de hoy son a base de teluro de cadmio y un competidor más reciente,seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). En la primera, una capa semiconductora está hecha de teluro de cadmio y otra es de sulfuro de cadmio. En la última, el material semiconductor principal es CIGS, pero su segunda capa es, comúnmente, de sulfuro de cadmio. Así que cada una de estas tecnologías utiliza compuestos que contienen cadmio, un metal pesado que es a la vez carcinogénico y genotóxico, lo que significa que puede causar mutaciones heredables.
Los fabricantes como First Solar, con sede en Tempe, Arizona, Estados Unidos, tienen una sólida trayectoria protegiendo a los trabajadores de las exposiciones al cadmio durante el proceso de fabricación. Pero hay poca información acerca de la exposición a los trabajadores involucrados con el cadmio en las etapas tempranas del ciclo de vida del metal, desde las minas de zinc, en donde se origina gran parte de cadmio, hasta el proceso de fundición que purifica el cadmio y lo convierte en materiales semiconductores. Las exposiciones después de que se descartan los paneles solares también son preocupan. La mayoría del telurio de cadmio que los fabricantes desechan debido a daños o defectos de fabricación se recicla bajo condiciones controladas seguras. En el extremo posterior de la ecuación, de manera proactiva, la industria estableció un programa de recolección y reciclaje de paneles solares en Europa. Las compañías individuales también han establecido programas de reciclaje, como el sistema previamente financiado de devolución de First Solar. Pero aún queda mucho por hacer; no todos los consumidores tienen acceso a un programa de devolución gratuito, y de hecho muchos consumidores pueden hasta no ser conscientes de la necesidad de desechar los paneles de una manera responsable.
La mejor forma de evitar la exposición de los trabajadores y el ambiente al cadmio tóxico es minimizar la cantidad utilizada o no usar el cadmio en absoluto. Ya hay dos grandes fabricantes de celdas a base de CIGS, Avancis y Solar Frontier, que están utilizando sulfuro de zinc, un material relativamente benigno, en lugar de sulfuro de cadmio. Por otro lado, los investigadores de la Universidad de Bristol y la Universidad de Bath, en Inglaterra; la Universidad de California, Berkeley; y muchos otros laboratorios académicos y del gobierno están tratando de desarrollar celdas de capa delgada que no requieran elementos tóxicos como el cadmio o elementos raros como el telurio. Mientras tanto, First Solar ha estado reduciendo de manera constante la cantidad de cadmio utilizado en sus celdas solares.
La toxicidad no es la única preocupación. Producir celdas solares requiere de mucha energía. Afortunadamente, debido a que las celdas generan electricidad, estas compensan la inversión original de energía con su uso; la mayoría lo hace después de tan solo dos años de funcionamiento y algunas compañías informan tiempos de retorno tan cortos como seis meses. Este tiempo de "retorno de energía" no es el mismo que el tiempo necesario para recuperar una inversión financiera de los consumidores de paneles solares; este mide las inversiones y los plazos de retorno en términos de kilovatios-hora, no en términos de dinero.
Los analistas también juzgan el impacto de la energía utilizada en la fabricación de un panel solar por la cantidad de carbono generada en la producción de tal panel: un número que puede variar ampliamente. Para ello, le damos a la energía un valor de intensidad de carbono, generalmente representado como kilogramos de CO2 emitidos por kilovatio-hora generado. Los lugares que dependen en gran medida del carbón tienen la mayor cantidad de intensidad eléctrica en carbono del mundo: la electricidad de China es un buen ejemplo, que tiene más o menos el doble de intensidad de carbono en electricidad que los Estados Unidos. Esto concuerda con los resultados de los investigadores de Illinois en el Laboratorio Nacional Argonne y en la Universidad Northwestern. En un informe publicado en junio pasado, encontraron que la huella de carbono de los paneles solares fabricados en China es de hecho casi el doble de la de los fabricados en Europa.
Si los paneles fotovoltaicos fabricados en China se instalan en China, la alta intensidad de carbono de la energía utilizada y la de la energía ahorrada se anulan entre sí, y el tiempo necesario para contrarrestar las emisiones de gases de efecto invernadero durante la fabricación sería el mismo que el tiempo de retorno de energía. Pero eso no es lo que ha estado sucedido últimamente. La fabricación se encuentra en su mayoría en China y los paneles se instalan a menudo en Europa o Estados Unidos. Con el doble de la intensidad de carbono, se necesita el doble de tiempo para compensar las emisiones de gases de efecto invernadero como lo hace para retornar las inversiones en energía.
Por supuesto, si usted fabrica paneles solares con electricidad de bajo carbono (por ejemplo, en una fábrica alimentada con energía solar) y los instala en un país de alta intensidad de carbono, el tiempo de amortización de gases de efecto invernadero será menor que el tiempo de amortización de energía. Así que tal vez algún día, la alimentación para la fabricación de paneles fotovoltaicos con energía eólica, solar y geotérmica terminará con las preocupaciones por la huella de carbono de celdas y paneles.
El agua es otra cuestión. Los fabricantes de paneles y celdas utilizan una gran cantidad de ella para diversos fines, que incluyen la refrigeración, los procesos químicos y el control de la contaminación del aire. No obstante, el mayor desperdicio de agua se da durante la limpieza en la instalación y el uso. Los proyectos a escala comercial en un rango de 230 a 550 megavatios pueden requerir hasta 1.500 millones de litros de agua para controlar el polvo durante la construcción y otros 26 millones de litros al año para el lavado de los paneles en operación. Sin embargo, la cantidad de agua utilizada para producir, instalar y operar los paneles fotovoltaicos es significativamente menor que la necesaria para enfriar las plantas termoeléctricas alimentadas por energía fósil y de fusión.
Las elecciones que hacen los inversores y los consumidores podrían, en principio, tener una gran influencia en las prácticas de los fabricantes de celdas y paneles solares, pero a menudo es difícil darse cuenta cómo estas empresas difieren en el cuidado que tienen para proteger el medio ambiente. La industria de la energía solar no tiene ninguna etiqueta ecológica oficial, como las etiquetas de Energy Staren electrodomésticos y electrónicos de consumo que ayudan a los compradores a identificar productos energéticamente eficientes. Y la mayoría de las personas no salen a comprar paneles solares por sí mismas, sino que contratan a instaladores terceros. Así que incluso si hubiera un programa de etiquetas ecológicas, dependerá de la voluntad de los instaladores escoger productos amigables con el medio ambiente.
Por ahora, los consumidores pueden ayudar a impulsar a los fabricantes para que mejoren sus registros ambientales y de seguridad al preguntarles a los instaladores sobre las compañías que fabrican los productos que utilizan. Esto, a su vez, estimularía a los instaladores para pedir más información a los fabricantes.
Los investigadores del National Photovoltaics Environmental Research Center en el Laboratorio Nacional Brookhaven, en Upton, Nueva York, durante mucho tiempo han estado publicando estudios sobre los posibles riesgos ambientales de las celdas y paneles. Recientemente, han empezado a aparecer calificaciones oficiales de desempeño ambiental para la industria solar.
Algunas organizaciones como el Centro para la Red Internacional de Información sobre Ciencias de la Tierra están tratando de establecer algún medio para determinar el desempeño ambiental, de salud y seguridad de los fabricantes en los países en desarrollo. Este grupo, que incluye a investigadores de Yale y Columbia, propuso el Índice de Desempeño Ambiental de China, que operaría a nivel provincial para ayudar al país a rastrear el progreso hacia los objetivos de política ambiental.
Mientras tanto, la Solar Energy Industries Association, una organización nacional de comercio de los Estados Unidos, ha propuesto nuevas directrices para la industria en un documento llamado el "Solar Industry Environment & Social Responsibility Commitment", dirigido a la prevención de lesiones y enfermedades laborales, la prevención de la contaminación y a la reducción de los recursos naturales utilizados en la producción. El documento incita a las compañías a pedir a los proveedores que informen sobre las prácticas de fabricación y las emisiones químicas y de gases de efecto invernadero que producen.
Además, la Coalición de Tóxicos de Silicon Valley, que califica el desempeño ambiental de las empresas de electrónica, ha estudiado y clasificado empresas de fabricación solar establecidas o que operan en China, Alemania, Malasia, Filipinas y Estados Unidos. La participación es voluntaria y hasta ahora incluye grandes fabricantes como First Solar, SolarWorld, SunPower, Suntech, Trina y Yingli; los fabricantes chinos Trina y Yingli han clasificado constantemente entre las tres compañías más responsables con el medio ambiente del mundo. Sharp, SolarWorld y SunPower durante varios años han estado siguiendo de manera cuidadosa los gases de efecto invernadero emitidos y los químicos utilizados en la fabricación de sus paneles solares. Estas iniciativas están llegando justo a tiempo. Muchas personas hoy en día ven los fotovoltaicos como una panacea para nuestros problemas de energía, teniendo en cuenta lo sucias que son la mayoría de las alternativas. Pero eso no significa que debamos cerrar los ojos al lado más oscuro de esta tecnología. De hecho, tenemos que considerarlo muy cuidadosamente. Y solo tal vez, con un esfuerzo sostenido por parte de los consumidores, fabricantes e investigadores, la industria de los fotovoltaicos será algún día realmente verde, no sólo simbólicamente.
Este artículo apareció originalmente de forma impresa como "Solar’s Green Dilemma", escrito por Dustin Mulvaney.
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