Las energías Renovables: Beneficios vs Desechos y Reciclaje (V) ( Gustavo González Urdaneta)

 Las energías Renovables: Beneficios vs Desechos y Reciclaje (V)

Gustavo González Urdaneta

Miami 11 febrero 2023

 

En los cuatro articulos anteriores de esta saga sobre Energías Renovables (ER 10.1%) cubrimos aspectos relativos al trilema de la energía (I), la seguridad energética (II), la equidad social y la mitigación del impacto ambiental (III) y sus mitos, realidades y lados obscuros (IV). Este tipo de energía se refiere a aquella generada a partir de fuentes de energía primaria y que es sostenible y pueden clasificarse en base a los cuatro elementos de la naturaleza como: Energías del Aire (eólica); Energías del Agua (hidráulica y marina); Energías del Sol (solar) y Energías de la Tierra (biomasa, biogás, geotérmica y biocarburantes). Las fuentes de electricidad limpia generaron el 38 % de la electricidad mundial en 2021 y hoy son, las energías eólica y solar juntas, la cuarta fuente de electricidad del mundo. También, fueron las fuentes limpias que crecieron más rápidamente en 2021.

 

En el artículo anterior, se destacó, entre otras cosas, que, como Beneficios, las ER son respetuosas con el medioambiente, la mayoría de ellas no producen emisiones CO2, gases de efecto invernadero u otras emisiones contaminantes a la atmósfera, al contrario que sucede con los combustibles fósiles o renovables. En resumen, con estas energías disminuye el efecto invernadero. Las ER podrían solucionar otros problemas ambientales, además del cambio climático, como son los residuos radiactivos, las lluvias ácidas y la contaminación atmosférica. Adicionalmente algunos esquemas hidroeléctricos pueden apoyar el mejoramiento de los suministros de agua y facilitar la recuperación de las tierras degradadas y el hábitat.   

 

Igualmente se estableció que, entre sus principales desventajas suelen contarse, el impacto visual, pues si queremos obtener grandes cantidades de energía es necesario crear plantas solares de grandes extensiones y esto puede suponer un impacto visual negativo y que no todas las zonas geográficas disponen de los mismos recursos naturales. Pueden perturbar la vida marina, afectar los hábitats de las aves y flora/fauna, producir ruido e interferencia electromagnética y, adicionalmente generar Desechos. Este último es realmente perturbador, los otros son mas mitos que realidades y sus efectos suelen ser mínimos o reversibles.

 

En esta oportunidad vamos a tratar de ilustrar mejor que, el incremento, de incontestables beneficios por la reducción de emisiones, deja no obstante una huella que empieza a preocupar: la fabricación, transporte y mínimo reciclaje de los paneles solares deja tras de sí un rastro contaminante. Solo los equipos que llegarán al final de su vida útil en nueve años supondrán ocho millones de toneladas de residuos. Esta cifra se multiplicará por 10 a mediados de siglo y supondrá más del 10% del total de basura electrónica mundial, según un estudio publicado en Nature Energy.

 

La preocupación se deriva por el hecho de la capacidad de generación energética a partir de fuentes renovables, según la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés), crecerá un 50% en cinco años (2021-2025), en especial por la instalación de paneles solares fotovoltaicos, que absorberán el 60% de este aumento frente al 25% que saldrá de los sistemas eólicos. Los combustibles fósiles representan actualmente cerca de dos tercios de toda la capacidad de generación de energía, el resto es derivado de las renovables y la nuclear. El rápido aumento de las energías renovables, esencialmente le dará la vuelta al guion y los combustibles fósiles pasarán a representar sólo un tercio de la capacidad de generación de energía ante el mundo en el año 2040.

 

Para 2050 se necesitarán más de 3.000 millones de toneladas de minerales y metales para desplegar la energía eólica, solar y geotérmica y el almacenamiento energético que se requeriría. Y que, la producción de minerales, como el grafito, el litio y el cobalto, podría aumentar casi un 500% desde 2020 a 2050, para satisfacer la creciente demanda de tecnologías energéticas limpias, según el Banco Mundial. Ante esta realidad, algunas personas señalan que, por los límites físicos del planeta, no es posible lograr un escenario 100% renovable, más aún cuando la demanda de electricidad se prevé que siga creciendo a nivel mundial. Un centro de investigación estimó que en un escenario 100% renovable de ‘crecimiento verde’ en 2060 supone extraer más de las reservas existentes de varios elementos químicos como el galio, la plata, el estaño, el indio y el telurio para construir las tecnologías alternativas necesarias.

 

Es decir, a priori no habría suficientes materiales para hacer la transición renovable al 100% según las estimaciones de consumo energético, especialmente, para desarrollar la energía solar por necesitar del indio, telurio y plata. Pero el estudio señala que una mejora en el porcentaje de reciclaje de los metales y una reducción voluntaria en el consumo de electricidad y, por tanto, de materiales superaría este cuello de botella de recursos. Se mantiene la preocupación a futuro.

 

Especialistas en energía solar destacan el ahorro de kilogramos de CO₂ que supone la generación de energía fotovoltaica frente a la contaminación generada por fuentes no renovables y el avance conseguido en 15 años: “En 2006 se necesitaba una década para compensar las emisiones, pero ese plazo se ha reducido a solo dos años”. Pero llegar a esos beneficios deja un rastro de contaminación indirecta. La generación de electricidad mediante energía solar fotovoltaica requiere, como ya hemos mencionado, grandes superficies para las instalaciones y, además, precisa de materiales valiosos (como la plata), costosos de producir (silicio) y tóxicos (cadmio y plomo, entre otros). A la contaminación que genera la extracción y producción de los componentes hay que sumar la generada en el transporte. Según un estudio de Argonne National Laboratory, la huella de carbono generada por los paneles producidos en China, principal exportador de estos sistemas es el doble que la que producen los fabricantes europeos.

El objetivo de la industria de ER es reducir al máximo tanto la contaminación directa como indirecta. Para evitar la primera, las estrategias apunta en varias direcciones: aumentar la eficacia de los paneles (los más antiguos aprovechan solo un 20% de la energía solar que llega mientras los más avanzados aspiran a llegar al 80%), incrementar los usos (electricidad, agua caliente sanitaria, calefacción y aire acondicionado) y ampliar la vida útil de las instalaciones (de 20 a 40 años), lo que permitiría no solo una mayor compensación de gases frente a la generación con recursos no renovable, sino también retrasar la acumulación de residuos.

La contaminación indirecta es más difícil, los expertos afirman que “se avanza hacia el panel del futuro, elaborado con materiales 100% reciclables”. Pero por ahora, es más un objetivo que una realidad, pese a los beneficios que supondría. Según el estudio publicado en Nature: “Incorporar materiales recuperables generaría un ahorro de 12.617 millones de euros y permitiría utilizarlos para producir 2.000 millones de nuevos módulos con capacidad para generar 630 GW”.

Pocos países (EE UU, Alemania, Francia o Japón) incorporan políticas de reciclaje en los paneles solares. Europa ha conseguido recuperar en un año 4.500 toneladas de teluro de cadmio de los paneles fotovoltaicos. Pero estas acciones no son suficientes, según la misma investigación: “Estas prácticas no logran recuperar componentes como la plata, el cobre, el silicio y el plomo, que constituyen la mayor parte del valor potencial de un módulo y el mayor impacto ambiental”. Además, la reutilización de estos elementos supone también un costo energético y económico. En este sentido lo económico sigue siendo la clave. Manda el euro, la rentabilidad.

Para satisfacer la creciente demanda se necesitan alternativas de bajo costo y más eficientes que las células solares basadas en silicio (las más utilizadas en la actualidad). Están surgiendo nuevos materiales, como las perovskitas de haluros de plomo —subconjunto de perovskitas orgánicas-inorgánicas híbridas que contienen iones de haluros como el yoduro o el bromuro— destacan especialmente por su potencial sin precedentes para convertir la luz solar en electricidad. La perovskita es un mineral relativamente raro que en la actualidad se utiliza para producir paneles solares y que alcanza una eficiencia de más del 20%,siendo estas células las más eficientes que existen hasta la fecha. Es además la tecnología solar de mayor crecimiento. Pero, estas son inestables y contienen plomo, uno de los elementos más contaminantes. Un equipo de ingenieros de la Universidad de Washington propone en una investigación publicada en Chemistry of Materials un semiconductor más estable y menos tóxico como el óxido de perovskita.

Un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, en colaboración con UC Berkeley, ha demostrado una solución alternativa única que ofrece un enfoque más simple para la fabricación de células solares: un material solar cristalino con un sistema eléctrico incorporado: una propiedad habilitada por lo que los científicos llaman “ferroelectricidad”. El material se informó a principios de este año en la revista Science Advances.

El nuevo material ferroeléctrico, que se cultiva en el laboratorio a partir de tribromuro de germanio y cesio (CsGeBr 3 o CGB), abre la puerta a un enfoque más sencillo para fabricar dispositivos de células solares. A diferencia de los materiales solares convencionales, los cristales CGB están inherentemente polarizados, donde un lado del cristal acumula cargas positivas y el otro lado acumula cargas negativas, sin necesidad de dopaje.

Además de ser ferroeléctrico, CGB también es una “perovskita de haluro” sin plomo, una clase emergente de materiales solares que ha intrigado a los investigadores por su asequibilidad y facilidad de síntesis en comparación con el silicio. Pero muchas de las perovskitas de haluro de mejor rendimiento contienen naturalmente el elemento plomo. Según otros investigadores, los restos de plomo de la producción y eliminación de material solar de perovskita podrían contaminar el medio ambiente y presentar problemas de salud pública. Por estas razones, los investigadores han buscado nuevas formulaciones de perovskita de haluros que eviten el plomo sin comprometer el rendimiento.

“Si puede imaginarse un material solar sin plomo que no solo obtenga energía del sol, sino que también tenga la ventaja adicional de tener un campo eléctrico formado espontáneamente de forma natural, las posibilidades en las industrias de energía solar y electrónica son bastante emocionantes”, dijo el coautor principal Peidong Yang, un destacado experto en nanomateriales conocido por su trabajo pionero en nanocables semiconductores unidimensionales para nuevas tecnologías de células solares y fotosíntesis artificial.

A la huella que dejan los procesos de extracción, fabricación y transporte de todos los elementos implicados en los paneles fotovoltaicos hay que añadir uno más: el ahorro máximo en la factura eléctrica para los consumidores se genera si se combina la producción de energía con baterías, lo que permitiría reducir el gasto de los hogares hasta en un 70%, según un estudio publicado en Applied Energy. Pero el mismo estudio admite que esta opción “no es económicamente rentable en las condiciones actuales” y las baterías más comunes, basadas en iones de litio, aún están lejos de los niveles deseados de costo, seguridad e impacto ambiental En este sentido, algunos centros de investigación estudian nuevos materiales y procesos para el desarrollo de baterías de sodio-ion (Na-ion), cuya tecnología se perfila como alternativa más sostenible y segura.

La mayoría de los residuos generados al desmantelar un parque eólico son reciclables o reutilizables hasta en un 90 %, pero otros no. Es una prioridad de la industria eólica llegar al 100 % de reciclabilidad y el camino no es fácil. Un parque eólico utiliza básicamente en su construcción cobre, aluminio, hormigón (para las cimentaciones de las torres), acero, hierro fundido, fibra de vidrio, fibra de carbono, resinas y otros materiales compuestos. La mayoría de estos materiales tienen métodos de reciclaje claros y establecidos hace tiempo, pero las palas son un problema aparte.

Los cálculos recogidos por WindEurope (2020) hablan de alrededor de 14 000 palas de turbinas eólicas que podrían ser desmanteladas en 2023. Esto necesariamente equivale a la gestión de entre 40 000 y 60 000 toneladas de materiales compuestos. Las palas están fabricadas de materiales compuestos como la fibra de vidrio, fibra de carbono y resinas, entre otros. Estos materiales han permitido aumentar el rendimiento de los parques eólicos de forma importante al poder crear palas más grandes y ligeras, que captan más viento en su recorrido y aprovechan mejor la energía eólica disponible. Pero cada ventaja ofrece sus inconvenientes.

Los materiales compuestos tienen propiedades excelentes, pero debido a su complejidad requieren procesos muy específicos para su reciclado. Esto afecta no solo a la industria eólica, sino también a sus hermanas mayores (en cuanto a producción de residuos de materiales compuestos) como la industria de la construcción y edificación, el sector del transporte, el sector marítimo y la industria eléctrica y electrónica. Las palas de los aerogeneradores, una vez convertidas en residuo, pasan a tener la catalogación de residuos no peligrosos. Esto facilita su gestión final, pero aun así hay que gestionarlos. Actualmente existen diferentes opciones.

La reutilización de las turbinas eólicas y sus palas dependerá de su estado después del uso y de si es posible repotenciar o crear nuevos parques eólicos con las turbinas que se desmantelan o desestiman en otros. El intercambio puede darse bajo ciertas circunstancias, no siempre. Por ejemplo, cuando el desmantelamiento de los aerogeneradores se produce antes del fin de su vida útil. Esto se hace cuando se pretende mejorar el rendimiento económico del parque eólico sustituyendo aerogeneradores todavía válidos por otros con mejores prestaciones, más modernos.

Hecho el cambio, evidentemente puede haber también un mercado secundario para la instalación y funcionamiento de las turbinas sustituidas. Además, las piezas en buen estado son susceptibles de ser utilizadas como recambios para aerogeneradores de la misma gama, todavía en funcionamiento, y cuyas piezas de recambio empiecen a escasear en el mercado.

Se está imponiendo actualmente el Composite Recycling System, un novedoso sistema de reciclado en horno horizontal por etapas que permite la eliminación completa de la resina presente en el compuesto, con menos del 10 % de degradación de la fibra de carbono reciclada. El procedimiento sirve para tratar todo tipo de materiales compuestos: fibra de carbono y fibra de vidrio, elementos curados o no curados, elementos al final de su vida útil o piezas que no pasen el control de calidad, etc. Además, es un sistema eficiente y respetuoso con el medio ambiente, que utiliza cogeneración y genera un subproducto combustible aceitoso que puede utilizarse en la propia instalación. También se están desarrollando tecnologías alternativas como el reciclaje mecánico, la solvólisis y la pirólisis, que brindan a la industria eólica soluciones adicionales para tratar las palas una vez que se convierten en residuos.

El depósito en vertedero de las palas desechadas es otra posibilidad, accesible y barata al ser consideradas como residuos no peligrosos. Evidentemente, esta opción es desastrosa desde el punto de vista de la economía circular, incurriendo en un doble desperdicio: se desperdician recursos y materias primas que podrían reciclarse e introducirse de nuevo en el ciclo productivo y se necesita disponer de hectáreas y hectáreas de suelo donde enterrarlas.

La solución al problema de las palas puede estar más cerca que nunca gracias a los avances en la tecnología conocida como vortex bladeless, que consiste en aerogeneradores oscilatorios que aprovechan la energía del viento sin necesidad de usar palas.

Estos aerogeneradores no tienen un proceso de fabricación complejo, trabajan sin aceites lubricantes y sin palas, lo que mejora considerablemente su ciclo de vida e impacto ambiental. Con las condiciones adecuadas de ajuste, puede ser una tecnología muy silenciosa, y disminuye además sus interferencias en equipos de radio, Además, este sistema reduce al mínimo el impacto en la avifauna local al no tener palas. El objetivo es que todos podamos compartir el mismo viento sin problemas.

Una vez eliminadas las palas de la ecuación, el problema de reciclaje del resto de materiales del aerogenerador se reduce bastante. La tecnología vortex bladeless sigue trabajando para conseguir economías de escala en su producción y para mejorar rendimientos, pero es una solución prometedora para superar ciertas encrucijadas que hoy en día plantea la renovación del parque eólico.

 

“El gran desafío mundial de hoy es lograr la diversificación de la matriz energética, ser eficientes, innovadores y creativos mediante nuevos actores y nuevas tecnologías”. Anónimo

 

 

 

 

 

 

 

Gustavo Gonzalez Urdaneta