El desechado y el reciclado de los módulos fotovoltaicos conllevan retos ambientales y oportunidades en el marco de la transición energética
Paneles solares en desuso acumulados por la organización no gubernamental PV Cycle, de Bélgica
PV CYCLE
En un galpón de 2.000 metros cuadrados del municipio de Valinhos, en el interior del estado de São Paulo, se han venido almacenando, mes a mes, cientos de paneles solares. Tan solo en el mes de mayo, el material acopiado, básicamente módulos inutilizados para la producción de energía fotovoltaica, llegó a sumar 80 toneladas (t). No se trata de una nueva central de energías renovables, sino de una empresa inaugurada hace poco más de tres años que ha decidido apostar por un mercado aún incipiente, pero en expansión, que se disparará en los próximos años: el reciclado de los paneles solares desechados.
“El año pasado tuvimos un crecimiento superior a un 700 % en cuanto al volumen de material recibido y las proyecciones para este año son mucho mayores”, dice el empresario Leonardo Duarte, de 27 años, fundador de SunR, una de las pocas empresas de Brasil dedicadas exclusivamente al reciclado de módulos fotovoltaicos fuera de servicio. “Desde nuestra apertura, hemos recibido más de 25.000 paneles, lo que equivale a 730 toneladas de material”, dice.
Qué hacer con los paneles solares en desuso es una cuestión que ha venido planteándose en todo el mundo, especialmente en países europeos como Alemania, que empezó a incorporar la energía solar aún en la década 1990. La vida útil estimada de los paneles solares es de 25 a 30 años, y una gran cantidad de módulos en suelo europeo y en otros lugares ya se ha convertido en chatarra.
Un informe elaborado en 2016 por la Agencia Internacional de Energías Renovables (Irena) a propósito de la gestión de los paneles solares fotovoltaicos al completar su vida útil advierte que el volumen anual de estos residuos a principios de la década de 2030 llegará a acumular entre 1,7 y 8 millones de toneladas. Para 2050, este tipo de material de descarte podría llegar a sumar en todo el planeta unos 78 millones de toneladas.
Por otra parte, en 2016, la agencia estimó que el valor de los materiales susceptibles de recuperarse de estos dispositivos podría llegar a 450 millones de dólares en 2030, un monto suficiente para volver a fabricar 60 millones de paneles solares. Veinte años más tarde, el valor de los productos reciclados superaría los 15.000 millones de dólares, cantidad suficiente para producir 2.000 millones de paneles, según las proyecciones de la Irena.
El 90 % de los módulos, aproximadamente, está compuesto por vidrio y aluminio, pero también contiene una pequeña proporción de metales valiosos, como plata y cobre, aparte de otras sustancias más contaminantes, como plomo y polímeros (véase la infografía). En Brasil, donde la tecnología fotovoltaica comenzó a adoptarse a gran escala a partir del decenio de 2010, el tema cobrará proporciones significativas dentro de unos años, pero ya está empezando a generar preocupación.
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
“El mayor error es creer que los residuos solo empezarán a acumularse al cabo de 30 años. Nada más equivocado”, dice Duarte, quien trabaja directamente con centrales, ensambladoras e importadoras de módulos solares en todo Brasil. “Según nuestros cálculos, más del 7 % de los paneles solares se desecha antes de que alcancen los 15 años de vida útil”.
Los accidentes durante su traslado, carga y descarga, errores en su instalación o de mantenimiento, eventos externos como tormentas e incendios, sumado al descarte en la producción de las ensambladoras de paneles, son algunos de los motivos señalados por el empresario para el retiro anticipado o la pérdida de los módulos de silicio cristalino. Este material es el elemento semiconductor que se emplea en la mayoría de los paneles solares que se comercializan en Brasil y en el resto del mundo.
Las capas de polímero adhesivo que protegen el producto de la exposición a la intemperie dificultan su desguace y reciclado. La parte más fácil de recuperar en el proceso es la estructura de aluminio y los cables de cobre exteriores. A continuación, viene el vidrio, que constituye una proporción importante del panel (de un 70 % a un 95 %) y cuya industria de reciclado ya está afianzada. Otros materiales presentes en las células solares plantean un reto mayor. Plata, estaño, cobre y el propio silicio son elementos valiosos, aunque la cantidad es ínfima en comparación con el vidrio. No obstante, los expertos estiman que ellos representan más de un 40 % del valor de los paneles.
“La separación de los materiales no es una tarea sencilla. Todavía hace falta mucha investigación y desarrollo para avanzar en este sentido”, dice el físico Carlos Frederico de Oliveira Graeff, de la Facultad de Ciencias de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en campus de la ciudad de Bauru, quien trabaja en el desarrollo de los paneles solares. Uno de sus proyectos más recientes, que contó con el apoyo de la FAPESP, tiene por objeto investigar la estabilidad de las células solares de perovskita, un elemento semiconductor cuya eficiencia es superior a la del silicio, pero de momento es poco duradero (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 260).
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
Más allá de la disminución de los residuos y las emisiones de carbono asociadas a ellos, el reciclado de los módulos fotovoltaicos también tiene el potencial de reducir el consumo de energía necesario para la explotación y producción de los materiales originales, como la plata y el silicio, así como de mitigar el impacto ambiental asociado a la extracción de estos metales. “En teoría, podría reutilizarse más de un 95 % del material que constituye los paneles”, dice. “Este es un mercado en ciernes”, dice Graeff.
El físico Francisco das Chagas Marques, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (Unicamp), investigador del área de la energía fotovoltaica, afirma que el principal desafío es el desarrollo de una tecnología de reciclado rentable, ya que los procesos actuales son costosos y, por ahora, no cubren los costos operativos. “Lo habitual ha sido centrarse solamente en la recuperación del cobre de los cables, el aluminio de los marcos y el vidrio”, detalla.
Según el investigador, esta es un área en desarrollo, especialmente en Estados Unidos y Europa. No hay fabricantes de paneles solares en Brasil. Los módulos se importan o únicamente se ensamblan en el país, utilizando células de silicio que también vienen del exterior, al igual que el vidrio, la pasta de plata, los encapsuladores y otros elementos, subraya Marques. El mayor productor mundial de paneles solares es China.
Léo Ramos Chaves/Revista Pesquisa FAPESPMódulos almacenados en un depósito de la empresa recicladora SunR, de Valinhos, en el interior paulistaLéo Ramos Chaves/Revista Pesquisa FAPESP
En la empresa SunR, de Valinhos, luego de la extracción de la estructura de aluminio, los componentes electrónicos y los conectores, los paneles son sometidos a un proceso de trituración mecánica. El material pasa por un cribado densimétrico y granulométrico, en el que se separa el vidrio de los metales. “Nuestro material de salida incluye aluminio, cableado, caja de conexiones, plástico, vidrio y una mezcla de varios metales, entre los que se cuentan silicio, plata, cobre, estaño y otros”, dice Duarte.
Esta mezcla de metales, señala, se vende a industrias interesadas en su separación química. “Como el volumen metálico del panel es reducido, no tiene sentido que nos transformemos en una industria química para hacerlo; nuestro proceso es 100 % mecánico”, dice. “Disponemos de soluciones viables, pero que no garantizan el aprovechamiento de todo el material. Estamos estableciendo nuevas colaboraciones y estudios para sacar el máximo provecho de cada uno de ellos”. Según Duarte, el porcentaje de la mezcla metálica que llega a reciclarse depende del comprador, es decir, si este pretende aprovechar la totalidad de los materiales o únicamente la plata o el silicio.
En el exterior, algunas empresas prometen reciclar más del 90 % de los materiales que componen los paneles solares, incluyendo la plata y el cobre. La firma francesa Rosi, con sede en Grenoble, inauguró en junio su primera planta industrial, donde afirman que se utilizan procesos físicos, térmicos y químicos para una separación adecuada de los materiales. En Estados Unidos, SolarCycle fue fundada en 2022 en California como una startup, y ha construido un centro de reciclado en Texas, donde informan que extraen el 95 % del valor de los materiales de los paneles solares y los reintroducen en la cadena de suministros.
La empresa estadounidense desarrolló máquinas especiales que extraen el vidrio del panel completo, una vez retirados el marco, los cables y la caja de conexiones. El resto de los materiales se separan: por un lado, el plástico, por otro los metales (mayoritariamente silicio metálico, cobre, plata, plomo y estaño). De momento, los metales se venden a terceros, pero la empresa está a punto de inaugurar una nueva planta en la que realizará el proceso químico de recuperación de los metales, principalmente plata y silicio.
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
En Alemania, investigadores del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar y del Centro Fraunhofer para la Tecnología Fotovoltaica de Silicio anunciaron en 2022 el desarrollo de una solución conjunta con la mayor empresa local de reciclado, Reiling GmBH & Co. KG. El Instituto Fraunhofer es una asociación alemana de investigación que cuenta con 76 unidades en todo el país con diferentes enfoques en ciencia aplicada. El proceso apunta a la recuperación del silicio de los módulos desechados y a su reutilización para producir nuevas células solares mediante la tecnología Perc (Passivated Emitter Rear Cell), que se emplea en las nuevas generaciones de paneles solares, con células fotovoltaicas más delgadas.
Tras pasar por el proceso de reciclado mecánico y separación de otros materiales, los fragmentos de las células solares con un tamaño de entre 0,1 y 1 milímetro son sometidos a un ataque químico. A continuación, se transforman en lingotes de silicio monocristalino de los que se obtienen los wafers (obleas o láminas que componen los paneles).
Entre los cofundadores de la empresa estadounidense SolarCycle se encuentra el ingeniero brasileño Pablo Ribeiro Dias, actual Director de Tecnología de la firma, quien obtuvo su título de grado, un máster y un doctorado en ingeniería en la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS). Junto con Hugo Marcelo Veit, director de su tesina de maestría, Ribeiro Dias inventó un método específico para extraer y recuperar la plata de los módulos fotovoltaicos, con una eficiencia de entre el 92 % y el 94 %, utilizando procesos mecánicos con molinos e hidrometalúrgicos con soluciones ácidas y sales para promover la lixiviación y decantación del metal.
La patente de la tecnología le fue concedida por el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) el año pasado. “El proceso a escala industrial todavía no ha sido adoptado por ninguna empresa”, dice Veit, quien no forma parte del equipo de SolarCycle y trabaja a tiempo completo en la UFRGS. “Si alguna compañía quisiera hacer el proceso a escala industrial en Brasil, tiene que solicitar la licencia”. Esta patente solamente está protegida en Brasil.
Los dos investigadores han presentado otras dos solicitudes de patente, una de las cuales se refiere a un método desarrollado en Australia; Ribeiro Dias hizo parte de su doctorado en la Universidad Macquarie y Veit realizó estudios posdoctorales en la Universidad de Nueva Gales del Sur, ambas en Sídney. “El segundo método es más un proceso químico que mecánico, pero utiliza un disolvente orgánico, mientras que el primero emplea ácidos, para recuperar no solamente la plata sino también otros componentes. Es un método un poco más amplio”, explica el profesor de la UFRGS.
La tercera solicitud de patente se presentó en Australia en 2021 y se refiere a otra tecnología con un proceso mecánico y químico para reciclar todos los componentes de los paneles solares. Ninguno de los tres métodos patentados por los investigadores brasileños se utiliza en SolarCycle, que emplea otra ruta de reciclado.
Carl de Souza / AFP via Getty ImagesCentral de energía solar fotovoltaica en Pirapora, Minas Gerais, una de las mayores de América LatinaCarl de Souza / AFP via Getty Images
Según Veit, diversos grupos de investigación de todo el mundo intentan desarrollar métodos más eficaces para el reciclado de módulos. “El costo de fabricación de un panel no es algo que pueda ignorarse, ya que consume muchas materias primas. El interés en este campo está creciendo porque el volumen y la cantidad de paneles desechados han empezado a llamar la atención”, comenta Veit.
Los resultados de los estudios sobre el reciclado de paneles solares del equipo de Rio Grande do Sul se publicaron en las revistas Resources, Conservation and Recycling, en 2021, y Renewable and Sustainable Energy Reviews, en 2022. El proceso descrito en uno de estos artículos proporcionó las directrices a SolarCycle, pero fue modificado, dice Dias. En la actualidad, la empresa no adopta las tecnologías descritas en las solicitudes de patente brasileña o australiana.
“Tuvimos que evolucionar ese proceso en varias capas. Hoy en día es más avanzado. Con nuestra tecnología, podemos retirar todo el vidrio del panel antes de separar los metales y los plásticos. Es una forma diferente y mucho más eficaz y eficiente de reciclar los paneles”, comenta Dias.
Los expertos sostienen que, además de la tecnología, se necesitan mecanismos políticos y organismos reguladores para desarrollar y promover un tratamiento adecuado de los residuos industriales de los paneles. La actual Ley nº 12.305/2010, la Política Nacional de Residuos Sólidos, no alude ni explícita ni específicamente a los módulos solares.
“¿Quién y en qué medida es responsable de los residuos procedentes de los sistemas fotovoltaicos?”, plantea el ingeniero eléctrico Clóvis Bôsco Mendonça Oliveira, docente de la Universidad Federal de Maranhão (UFMA), quien publicó este año un artículo de revisión sobre el tema en la revista Social Sciences & Humanities Open, junto con su estudiante de maestría Nelson Monteiro de Sousa y Darliane Cunha, docente de la maestría profesional en Energía y Medio Ambiente de la UFMA.
“Se necesitarán soluciones tecnológicas más eficientes y el desarrollo de procesos que aborden cabalmente los problemas que surgen al final del ciclo de vida de los sistemas fotovoltaicos”, subrayan los autores en el artículo. “Con todo, aún es necesario más: también habrá que desarrollar y aplicar mecanismos políticos y marcos reguladores en la fase final de la vida útil para preparar, fomentar y desarrollar aplicaciones adecuadas para el tratamiento de los residuos industriales”.
Para Oliveira, la discusión de los aspectos normativos es una cuestión urgente. “Si solamente dispusiéramos de una ley específica para este tema dentro de 20 años, solo tendremos un retorno efectivo dentro de 40 años, ya que no se puede dar marcha atrás en una norma como ésta, que implica un costo financiero. Tenemos que actuar ya mismo”. Los países de la Unión Europea, Japón y Canadá, que han avanzado más en este campo, ya han actualizado su legislación al respecto.
Proyecto Optimización de la estabilidad de las células solares de perovskita (no 20/12356-8); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Carlos Frederico de Oliveira Graeff (Unesp); Inversión R$ 1.914.365,90.
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