Una nueva tecnología de circulación del agua reduce los costos de fabricación de células solares PERC

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Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) de Alemania desarrollaron modelos para evaluar y comparar dos estrategias circulares de agua en una fábrica de células solares de emisor pasivado y posterior (PERC) de 5 GW.

Afirman que se trata del primer “modelo integral del agua” publicado para una fábrica de células solares.

El equipo comparó dos escenarios de flujo de agua dulce y aguas residuales con una estrategia hídrica en una planta convencional de fabricación de células PERC. El primer escenario, conocido como aguas residuales poco contaminadas (LCR), recupera las aguas de lavado para que puedan verterse indirectamente conforme a la normativa. “Además, algunos flujos de aguas residuales se utilizaron como agua dulce para aplicaciones posteriores”, explican los investigadores.

El segundo escenario, conocido como vertido mínimo de líquidos (MLD), reduce al máximo la cantidad de aguas residuales que salen de la fábrica, al tiempo que identifica y recupera posibles objetos de valor de las aguas residuales, según el equipo.

Para cada escenario se realizó un análisis costo-beneficio y una evaluación del ciclo de vida (ECV) utilizando el programa Umberto 11, que suele emplearse para analizar el impacto ambiental de empresas y productos, y la base de datos de inventario del ciclo de vida Ecoinvent. El análisis también se basó en un modelo específico de flujo de materiales, una evaluación medioambiental y cálculos del costo total de propiedad (TCO).

“Para determinar si las soluciones propuestas logran una mejora medioambiental neta para el sistema de producción de células solares es necesario un análisis global del impacto medioambiental”, declaró el equipo. “Los resultados muestran que, para los escenarios investigados, el 38% y el 79% del consumo de agua y el 40% y el 84% del vertido indirecto de aguas residuales en la fábrica de células pueden ahorrarse con los enfoques LCR y MLD, respectivamente”.

Además, se identificaron reducciones de costos del 0,5% y el 0,7% de la producción de células para las estrategias LCR y MLD, respectivamente. “En comparación con el escenario de referencia, las estrategias circulares de agua propuestas ofrecen ahorros significativos de agua y aguas residuales”, afirmó el grupo.

Se consideraron varios tipos de tecnologías de tratamiento de agua y aguas residuales, teniendo en cuenta los costos, la demanda de energía, los riesgos operativos y la complejidad. Sólo se consideraron las tecnologías de reciclado de agua comercialmente disponibles y específicamente adaptadas a las características químicas de las aguas residuales fotovoltaicas, como la ósmosis inversa, la precipitación de fluoruro cálcico y las tecnologías de ultrafiltración.

El equipo también recopiló numerosos datos sobre cada uno de los pasos de producción de las células solares PERC. Otras limitaciones importantes eran un rendimiento de 2.819 m2 de células por hora y productos con las siguientes características 160 µm de grosor, 244,32 cm2, 5,37 W y 22% de eficiencia de conversión de potencia de la célula.

Para construir los modelos de escenario se utilizaron varias herramientas. Para la mezcla de corrientes, la evaporación, las reacciones de precipitación y neutralización y el uso de productos químicos, el equipo utilizó el software phreeqc, un programa informático de especiación, reacción por lotes, transporte unidimensional y cálculos geoquímicos inversos. Las soluciones para los procesos de evaporación se modelaron con la base de datos SIT.dat para soluciones altamente salinas. Los procesos de membrana se simularon con el software de diseño de tratamiento de aguas WAVE de DuPont. También se demostraron modelos de flujos de agua y aguas residuales, incluidos los procesos de regeneración del agua.

En cuanto a la evaluación del impacto del ciclo de vida (EICV), se utilizó la Huella Ambiental de la UE, versión 3.0, y se logró una mejora de la puntuación única del impacto ambiental de la producción de células. Disminuyó un 0,4% en el caso del LCR y un 3,2% en el del MLD.

“El análisis de los costos del ciclo de vida realizado ha demostrado que estas tecnologías son económicamente viables para esta aplicación, pero hubo que evaluar cuidadosamente los precios de la energía, el agua y los vertidos de aguas residuales”, señalan los académicos, que añaden que se pueden conseguir reducciones netas de los costos de producción de células de 0,025 €/W y 0,035 €/W para las estrategias LCR y MDL, respectivamente.

“Las reducciones del impacto ambiental en la fábrica de células se estiman entre el -1,4% y el 34,3% para las diferentes categorías de impacto, con reducciones significativas en la ecotoxicidad del agua dulce y la eutrofización del agua dulce y marina para ambas estrategias de agua circular”, explicó el equipo.

Los investigadores proporcionaron un gasto de capital (CAPEX) y gastos de funcionamiento (OPEX) para cada una de las dos estrategias circulares del agua, señalando que el consumo global de energía de la LCR es «relativamente bajo» con un caso de «CAPEX y OPEX muy bajos». También observaron que, en comparación con el caso de referencia, no se consigue ninguna recuperación de recursos aparte del agua.

En su análisis del escenario MLD, observaron que requería una elevada energía térmica y mayores CAPEX y OPEX para la maquinaria necesaria. Dicho esto, señalaron que el MLD permite reducir el agua dulce en un 79% y las aguas residuales en un 84%, lo que supone un ahorro anual en costos de agua dulce y aguas residuales, así como la oportunidad de recuperar «valiosos subproductos» para su uso en otras industrias.

De cara al futuro, los investigadores prevén su adopción en fábricas de contacto pasivado de óxido de túnel (TOPCON) y de heterounión (HJT), ya que «muchos de los flujos de aguas residuales analizados son similares». Se recomienda la instalación de un demostrador “para validar el ahorro estimado, ya que hubo que superar muchos retos técnicos”.

El novedoso concepto de circulación del agua se presentó en el estudio “Circular water strategies in solar cells manufacturing” (Estrategias circulares de agua en la fabricación de células solares), publicado en Solar Energy. En el estudio colaboraron investigadores del Fraunhofer ISE, RENA Technologies GmbH, la Universidad Técnica de Berlín y el Instituto Fraunhofer de Física de la Construcción.

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