La energía solar contamina más de lo que crees

En este artículo exploramos qué tanto contamina la energía solar, desde su fabricación hasta el final de su vida útil y reciclaje.

Los paneles solares brillando bajo el sol son un ícono de todo lo que es ecológico. Pero aunque generar electricidad por medio de energía solar es en efecto mejor para el ambiente que quemar combustibles fósiles, varios incidentes han vinculado la fabricación de paneles solares con un rastro de contaminación química, por lo que si pensabas que la energía solar no contamina, piénsalo de nuevo.

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 ha sido 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 medio ambiente y a los trabajadores de las plantas.

¿Como se fabrican las celdas solares?

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.

Aunque 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.

Aquí está el primer problema: el cuarzo se extrae de minas, lo que pone a los mineros en riesgo de uno de los peligros laborales más antiguos de la civilización, la silicosis 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. Esto sucede en grandes hornos que, para mantenerlos calientes, 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 azufre, no causan mayor daño a las personas que trabajan en las refinerías de silicio o al ambiente de una forma inmediata.

Sin embargo, en 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).

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 y en efecto, la mayoría de los fabricantes terminan reciclando este residuo para hacer más polisilicio

Pero el equipo de reprocesamiento puede costar decenas de millones de dólares, por lo que algunas empresas simplemente desechan 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.

¿Los paneles solares contaminan?

Aunque aun persisten muchos mitos sobre los paneles solares, la energía solar es una de las fuente de energía que menos contamina, de la mano de la energía nuclear y la eólica. Sin embargo, así como cualquier otra creación humana, la energía solar también contamina.

Pero ¿cómo contamina la energía solar?

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 informática.

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.

Según un artículo de investigación publicado en marzo de 2008, Ariana Eunjung Cha demostró cómo contaminan los paneles solares. En ella 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.

La periodista encontró 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 compraban sistemas solares residenciales podían deducir el 30 por ciento del costo de sus facturas de impuestos hasta que el incentivo venció en el 2016.

Para proteger la reputación de la industria, los fabricantes de paneles y celdas solares 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.

No obstante, 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.

Los químicos utilizados en la energía solar

La lucha por mantener limpia la industria de la energía solar fotovoltaica no termina solo al «limpiar» la producción de polisilicio.

En la parte siguiente del proceso, los fabricantes de celdas solares purifican trozos de polisilicio para formar lingotes y luego los cortan para formar placas, con lo que se crea la arquitectura esencial que produce el efecto fotovoltaico en las celdas solares.

Todos estos pasos implican el uso de 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 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 del río para limpiar a sus animales, mataron accidentalmente docenas de cerdos al desconocer el grado de contaminación del agua.

Al investigar los cerdos muertos, las autoridades chinas encontraron niveles de ácido fluorhídrico en el río 10 veces mayores que el límite permitido, ademas de que debido a la falta de regulación y control se percataron del problema solo después de que los residentes protestaran.

Cientos de residentes locales, molestos por el incidente, irrumpieron y temporalmente ocuparon las instalaciones de la fábrica. 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 química 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, pues 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 cortes 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 sale 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 telururo de cadmio y un competidor más reciente, seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). En la primera, una capa semiconductora está hecha de telururo 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.

El problema aquí es uno nuevo: 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 de paneles solares.

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.

Aún así, 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 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, investigadores de la Universidad de Bristol y la Universidad de Bath, en Inglaterra; la Universidad de California, Berkeley en Estados Unidos y muchos otros laboratorios académicos 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.

¿Qué hay del reciclaje de paneles solares?

Las exposiciones después de que se descartan los paneles solares también son preocupantes. La mayoría del telurio de cadmio que los fabricantes desechan debido a daños o defectos de fabricación se recicla bajo condiciones controladas y seguras. Pero no es este el caso de los químicos que permanecen en los paneles solares, como el cadmio y el plomo, los cuales no pueden ser removidos sin desarmar completamente el panel.

Este problema afecta directamente al vidrio, que compone cerca del 90% de un panel solar. Este vidrio no puede ser reciclado como vidrio flotado (el tipo de vidrio más común en construcciones) debido a las impurezas, dentro de las que se incluyen los elementos mencionados previamente, ademas del plástico y el antimonio.

Pero esto es solo hablando del reciclaje de los químicos utilizados. Para los paneles solares que han entrado en desuso, que en promedio tienen una vida útil de 30 años, la historia no es nada alentadora: un informe de la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA, por sus siglas en inglés) estimó en 2016 que existía una cantidad cercana a 250.000 toneladas métricas de paneles solares en vertederos en todo el mundo, proyectando a la vez que esta cifra podría llegar a 78 millones de toneladas métricas para 2050.

Un estudio realizado por el Electric Power Research Institute (EPRI) de Estados Unidos concluyó que no se recomienda la disposición final de paneles solares en vertederos debido a la filtración de materiales tóxicos al suelo en caso de rompimiento del panel, lo cual es algo que casi en todos los casos sucederá. Por otra parte, tanto expertos de la industria como representantes de agencias gubernamentales de control reconocen que no saben con certeza cómo determinar si un panel solar es un desecho toxico o no.

Otro problema que se suma al reciclaje es que, aún hoy, el costo de reciclar un panel solar es mayor al de crear uno nuevo, razón principal por la cual terminan en vertederos.

Esto despierta muchas reacciones negativas, y es común escuchar activistas ecologistas y lideres de opinión exigiendo a los gobiernos endurecer las regulaciones para que las empresas reciclen obligatoriamente estos residuos. Sin embargo, rara vez suelen considerar que la constante caída en los precios de los paneles solares y su consecuente accesibilidad en el mercado se debe precisamente a los bajos costos de producción. Forzar a las empresas a incrementar sus costos, aunque suene bien, traería como consecuencia un incremento en los precios de la energía solar y una reducción en su uso, lo que a su vez condena a naciones en desarrollo a seguir utilizando fuentes decenas de veces más contaminantes, como el carbón o el petroleo.

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.

¿Cuánto contamina un panel solar?

La toxicidad no es la única preocupación. Producir celdas solares requiere de mucha energía. Afortunadamente, debido a que los paneles generan electricidad, estos 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.

Pero es importante tener en cuenta que 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; el retorno energético solo mide las inversiones y los plazos de retorno en términos de kilovatios-hora, no en términos de dinero.

Para saber cuánto contamina la energía solar y qué daños causan los paneles solares, 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 estudios realizados por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois y de la Universidad Northwestern. En un informe publicado en mayo de 2014, 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 solares 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 sucediendo. 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 para retornar la inversión energética.

Pero si por ejemplo se fabrican paneles solares con electricidad de bajo carbono (por ejemplo, en una fábrica alimentada con energía solar, eolica o incluso con energía nuclear) y los instala en un país de alta intensidad de carbono (como China, Estados Unidos o Alemania), el tiempo de amortización de gases de efecto invernadero será menor que el tiempo de amortización de energía.

Así que es posible que algún día la fabricación de paneles solares fotovoltaicos donde se utilice energía eólica, solar, geotérmica o nuclear como fuentes primarias terminará con las preocupaciones por la huella de carbono de celdas y paneles.

El uso de agua en la fabricación de paneles solares

El agua es otra cuestión; los fabricantes de paneles y celdas utilizan una gran cantidad de agua para diversos fines, que incluyen la refrigeración, los procesos químicos y el control de la contaminación del aire generada en el proceso.

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. Curiosamente, este gasto no se compensa en generación de energía: un estudio de la universidad de Arizona publicado en enero de 2013 demostró que la limpieza superficial de paneles solares solo incrementa la eficiencia un 1%.

No obstante, 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 combustibles fósiles.

¿Cómo se pueden solucionar los problemas ambientales de la energía solar?

Las elecciones que hacen los inversionistas 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 de las iniciativas o procesos ambientales que ejecutan estas empresas durante la construcción con el fin de evitar la contaminación de la energía solar.

La industria de la energía solar no tiene ninguna etiqueta ecológica oficial, como las etiquetas de Energy Star en electrodomésticos y electrónica 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, ya sean empresas intermediarias o contratistas independientes. Así que incluso si hubiese 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 preguntarle a los instaladores sobre las compañías que fabrican los productos que utilizan. Esto, a su vez, estimularía a los instaladores a 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, y recientemente han empezado a aparecer calificaciones oficiales de desempeño ambiental para la industria solar.

Por su parte, 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 de 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, que operaría a nivel mundial para ayudar a los países a rastrear el progreso hacia 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 de paneles solares.

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 y 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 paneles solares 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 solar será algún día realmente verde, no sólo simbólicamente.

NOTA DEL EDITOR: Este artículo fue originalmente publicado el 2 septiembre de 2014, sin embargo, muchas de las fuentes incluidas en la publicación habían cambiado de ubicación; las hemos actualizado. Hemos agregado también información referente a la contaminación química de los paneles solares al final de su vida útil y su reciclaje, por lo que consideramos pertinente actualizar su fecha de publicación.