Siempre han circulado muchos mitos en torno a la energía solar. Hay quienes piensan que la energía fotovoltaica es una inversión demasiado cara y que, además, es inútil en invierno (puedes leer más al respecto aquí). Otros dicen que fabricar componentes fotovoltaicos genera más CO2 del que estos pueden ahorrar durante su funcionamiento. ¿Qué hay de cierto en estas afirmaciones? A continuación, analizamos en profundidad este tema y examinamos el balance ecológico de las instalaciones fotovoltaicas.
A primera vista, la respuesta a la pregunta de si la energía fotovoltaica reduce las emisiones de CO2 parece sencilla: Rayos de sol + Módulos = Electricidad. En otras palabras, no se generan emisiones de CO2 durante el uso directo. Esto es cierto en principio, pero solo a primera vista.
Al fin y al cabo, antes hay que instalar y poner en marcha los módulos fotovoltaicos, el inversor y, si procede, la batería de almacenamiento en el tejado y en el cuarto técnico. Para que esto sea posible, la entrega debe realizarse mediante un medio de transporte adecuado. Sin embargo, antes de considerar siquiera este paso, hay que extraer los materiales necesarios para la fabricación, procesarlos y transformarlos en los productos que conforman un sistema fotovoltaico. Un aspecto que a menudo se pasa por alto es el reciclaje: ¿qué ocurre con los componentes fotovoltaicos al final de su vida útil? Tanto si acaban en un vertedero o en una planta de incineración de residuos, como si se reciclan al menos parcialmente, su impacto ambiental varía.
Como ves, la cadena de valor de la tecnología fotovoltaica comprende varios sectores industriales y de servicios:
- Extracción de materias primas
- Fabricación de componentes individuales
- Transporte
- Trabajos de montaje y mantenimiento
- Gestión de residuos y reciclaje
Para saber si las instalaciones fotovoltaicas pueden reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, debemos analizar más detenidamente su ciclo de vida, desde su fabricación hasta su desmantelamiento. Para ello, nos basamos en estudios de la Agencia Internacional de la Energía (AIE) y del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE). Este último certificó el análisis de ciclo de vida realizado por Fronius en colaboración con to4to – together for tomorrow para el Fronius Symo GEN24 10.0 Plus. Antes de nada, conviene señalar que los datos se centran en los módulos solares en general y en los inversores Fronius en particular. No hemos tenido en cuenta los ciclos de vida ni las emisiones de CO2 de otros fabricantes de inversores.
Por cierto, en realidad, deberíamos hablar siempre de equivalentes de CO2, ya que en el potencial de emisión no es el único gas con efecto invernadero. Para simplificar, en esta entrada de blog hablamos principalmente de emisiones de CO2.
1. Materias primas y extracción: ¿qué impacto ambiental tienen los paneles solares?
La fabricación de paneles fotovoltaicos e inversores depende de la extracción y el procesamiento de algunas materias primas raras. La arena de cuarzo es una de las más importantes, ya que de ella se obtiene el silicio, esencial para la producción de módulos y componentes semiconductores. El proceso requiere temperaturas de entre 1500 y 2000 °C, lo que lo convierte en la fase que más energía consume de la fabricación fotovoltaica, donde el mix energético utilizado es clave.
| ¿Sabías esto? Nueve de los diez mayores fabricantes de polisilicio son de China y juntos representan una cuota de mercado del 93,5 %. De media, el 61 % del mix energético de China procede del carbón, lo que implica una considerable huella de CO2. La fabricación de módulos fotovoltaicos en China emite, de media, 810 kg de gases de efecto invernadero por cada kWp de potencia. Hasta un 50 % de las emisiones procede de la producción de silicio. Para ponerlo en perspectiva, los módulos equivalentes fabricados en Alemania emiten aproximadamente 580 kg de CO2 por kWp de potencia del módulo.* *Fuente: https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2021/european-glass-glass-photovoltaic-modules-are-particularly-climate-friendly.html |
A menudo se subestima la importancia del vidrio en la fabricación de paneles. De hecho, el 70 % de su peso corresponde a este material, obtenido a partir de arena. Aunque su producción consume menos energía que el procesamiento del silicio, el vidrio tiene un impacto significativo en el balance energético global debido a su gran volumen. En el caso de los módulos de capa fina, es necesario añadir un marco de aluminio que contribuye entre un 10 y un 15 % a la huella total de CO2, pues la fabricación de este metal también requiere mucha energía.
Además, la industria fotovoltaica necesita otras materias primas clave como el cobre y el estaño, así como metales preciosos como la plata, el oro y el paladio, especialmente críticos. Esto nos lleva al siguiente componente esencial de un sistema fotovoltaico: el inversor.
Como fabricantes, tenemos el privilegio de disponer de datos de primera mano: más del 40 % de la huella de CO2 total del Fronius Symo GEN24 10.0 Plus corresponde a los componentes cuando el inversor se utiliza en una instalación austriaca. Resulta llamativo que, pese a representar solo el 0,1 % del peso del inversor, los componentes semiconductores generan el 23,9 % de la huella de CO2 a nivel de componentes. Los condensadores y los circuitos impresos también se encuentran entre los elementos que más energía consumen de un inversor Fronius. Aunque apenas suponen el 3,2 % y el 2,5 % de su peso, son responsables del 18,5 % de los 315,6 kilogramos de CO2 totales emitidos por los componentes. En cambio, la situación es distinta en el caso del plástico y del aluminio. Como Fronius utiliza aluminio reciclado, su impacto ambiental es menor a pesar de su elevado peso (29,1 %); aproximadamente el 15,2 % de la huella de CO2 de los componentes corresponde a este metal ligero.
2. Emisiones de CO2 durante la producción de módulos fotovoltaicos
Para fabricar celdas solares, el silicio purificado debe cortarse en finas láminas, las llamadas «obleas», y limpiarse. Este proceso requiere mucha energía y es responsable del 15 al 20 % de las emisiones totales. La posterior fabricación de las celdas, en la que las obleas se texturizan, dopan y laminan, genera entre un 10 y un 15 % adicional de CO2. En el proceso de dopado se introducen de forma controlada átomos dopantes en el silicio para crear una parte con carga positiva y otra negativa, permitiendo así el flujo de corriente.
Por el contrario, la fabricación de un inversor Fronius supone solo una pequeña parte de sus emisiones de CO2. Además del aluminio reciclado, el mix energético utilizado, compuesto por electricidad verde de la red y por energía obtenida del propio tejado de la fábrica, reduce de forma significativa las emisiones generadas durante la producción. Solo el 1,3 % de las emisiones totales corresponde a la energía consumida durante el proceso de fabricación.
3. ¿Cómo influye el transporte en la huella de carbono de la energía fotovoltaica?
El transporte de materias primas hasta el fabricante de los componentes, la entrega de estos en el lugar de instalación y su posterior traslado a la planta de reciclaje apenas influyen en la huella ecológica de una instalación fotovoltaica. Aun así, no queremos pasar estos aspectos por alto: cuanto más larga es la ruta, más energía se necesita. Los componentes que se importan de Asia a Europa tienen una mayor huella de CO2.
Sin embargo, no solo importa la distancia, sino también el medio de transporte. Si bien los aviones de carga pueden llevar rápidamente los componentes fotovoltaicos a su destino, también son los que más gases de efecto invernadero generan por componente transportado. El transporte marítimo es más eficiente, aunque también más lento: por ejemplo, el trayecto de Shanghái a Europa occidental en buque portacontenedores dura cerca de un mes. En cambio, el transporte por camión y por tren tiene una huella ecológica intermedia.
¿Cómo influye el transporte en la huella de CO2 de los módulos fotovoltaicos? En el caso de los módulos solares procedentes de China, cerca del 3 % de la huella de CO2 total corresponde a su importación a Europa. Aunque a primera vista no parezca mucho, los módulos solares fabricados en Europa son, de media, mucho más respetuosos con el medio ambiente. Según cálculos del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar publicados en un comunicado de prensa de 2021, los módulos europeos reducen aproximadamente un 40 % de las emisiones de CO2 en comparación con sus equivalentes asiáticos, gracias a un mix energético más limpio en la producción y a distancias de transporte más cortas.
En cuanto a los inversores, las rutas de transporte contribuyen aún menos a las emisiones, especialmente si volvemos a tomar a Fronius como ejemplo. «Como evitamos el transporte aéreo y utilizamos trenes, camiones y buques portacontenedores en su lugar, reducimos las emisiones de CO2. En el caso del inversor de Fronius, el suministro de materias primas y la entrega a los clientes en Austria representan apenas el 1,1 % de las emisiones totales», explica Anthony Moises, Experto en Energía Solar de Fronius International. Por supuesto, la exportación del inversor aumenta ligeramente esta cifra.
4. Impacto ambiental durante el funcionamiento de una instalación fotovoltaica
La instalación de los componentes fotovoltaicos, así como su mantenimiento, contribuyen también un pequeño porcentaje (de un solo dígito) a la huella de CO2 total del sistema. El uso de máquinas y herramientas alimentadas con una combinación de electricidad y combustibles fósiles genera unas emisiones de gases de efecto invernadero mínimas.
Sin embargo, lo verdaderamente interesante es su funcionamiento, ya que que el sol no brilla por la noche. Las instalaciones fotovoltaicas, especialmente aquellas sin baterías, permanecen por tanto «inactivas» y sin generar electricidad el 50 % del tiempo. «Pero el inversor nunca descansa», explica Anthony Moises. «Por un lado, comprueba periódicamente si la red pública es estable. Por otro, se mantiene operativo para detectar el siguiente amanecer y gestionar los flujos de energía. La comunicación con Smart Meters, baterías de almacenamiento y aplicaciones de monitorización también implica un pequeño consumo de electricidad». En total, este denominado «consumo nocturno» asciende a entre 2 y 10 V (sin batería) o entre 20 y 200 V (con conexión a batería). En realidad, no es gran cosa. Sin embargo, como los inversores permanecen en funcionamiento durante años, la huella de CO2 del consumo eléctrico nocturno se va acumulando, en particular cuando la energía proviene de la red pública y no de baterías.
En el caso del Fronius GEN24 10.0 Plus, el consumo nocturno representa el 37,6 % (Austria) y el 47,2 % (Alemania) de su huella de CO2 total. El porcentaje exacto depende en gran medida del mix energético de cada país y puede ser aún mayor en otros lugares. Así, el consumo nocturno en Australia es responsable de más del 63 % de la huella de CO2 total del inversor.
A pesar de que el rendimiento del inversor Fronius supera el 98 %, se producen pérdidas en forma de calor que representan el 22,5 % (Austria) y el 19,6 % (Alemania) de su huella de CO2.
5. Reciclaje de paneles solares: impacto ambiental y recuperación de materiales
Un sistema fotovoltaico puede durar décadas, pero incluso los mejores componentes llegan al final de su vida útil. Afortunadamente, la mayoría de componentes FV pueden reciclarse. Existen diferentes estrategias para la gestión del fin de la vida útil (gestión EoL por sus siglas en inglés). Mientras que depositar residuos en vertederos e incinerarlos por completo incrementa el impacto ambiental, el reciclaje puede mejorar considerablemente la huella de CO2.
Reciclar el producto tras el desmontaje previo de sus componentes es la opción más beneficiosa para el medio ambiente. El objetivo es recuperar los materiales reciclables debidamente clasificados y eliminar las sustancias nocivas. Tras el desmontaje, algunos componentes, como el vidrio y el aluminio, pueden separarse directamente y reutilizarse, mientras que el silicio requiere un tratamiento térmico a más de 500 °C para desprenderse del laminado. El posterior proceso de limpieza química elimina los restos de plata, cobre, estaño para soldar y plásticos, lo que permite reutilizar el silicio recuperado como base para nuevos cristales de silicio y como parte de módulos fotovoltaicos. De un módulo solar promedio se pueden recuperar unos 3 kg de silicio, así como varios gramos de plata y cobre; en total, es posible reciclar hasta el 95 % de su peso.
Los inversores que han llegado al final de su vida útil también pueden reciclarse con gran eficacia, y en algunos países hacerlo es obligatorio por ley. En Austria, la «Ordenanza sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos» (EAG-VO) establece una tasa mínima de recuperación de materiales del 85 % para los inversores, los módulos fotovoltaicos y las baterías de almacenamiento. Son aptos para el reciclaje el aluminio utilizado en disipadores y carcasas, el cobre presente en bobinas y cables, así como las pequeñas cantidades de metales preciosos esenciales para placas de circuitos. En cambio, los plásticos solo son reciclables de forma limitada y, tras su eliminación, suelen incinerarse para generar energía.
En total, la eliminación de componentes fotovoltaicos representa entre el 2 y el 5 % de sus emisiones totales de gases de efecto invernadero. Al mismo tiempo, el reciclaje supone un ahorro considerable en comparación con la extracción de materias primas, lo que permite fabricar nuevos componentes de forma energéticamente eficiente. Con una gestión EoL eficiente, los productos pueden incluso contribuir un crédito de CO2.
En el caso del Fronius Symo GEN24 10.0 Plus, el reciclaje de metales seguido de la incineración genera un crédito de CO2 de 20 kg. En cambio, simplemente llevarlo a un vertedero e incinerarlo produciría entre 6,8 y 2,6 kg de equivalente de CO2, respectivamente (véase el gráfico).
¿Cuánto CO2 puede ahorrar una instalación fotovoltaica a lo largo de su vida útil?
Si bien lo anterior es relevante, no responde a la pregunta de cuánto CO2 ahorran las instalaciones fotovoltaicas en comparación con usar corriente de la red. En nuestro ejemplo, analizaremos dos sistemas FV ficticios a lo largo de todo su ciclo de vida de 30 años: el primero en Viena y el segundo en Frankfurt. Ambos cuentan con el mismo número de módulos, con una potencia total de 10 kWp y con un inversor Fronius GEN24 10.0 Plus. En nuestro ejemplo, suponemos la sustitución del inversor después de 20 años, lo que significa que en el cálculo consideramos el impacto ambiental de 1,5 inversores. Ambas instalaciones FV deben compararse teniendo en cuenta el mix energético correspondiente de cada país.
La relación coste-beneficio lo deja muy claro: la huella de CO2 del sistema FV de Viena es de unas 10,8 toneladas, superada ligeramente por el de Frankfurt debido a las mayores distancias de transporte y a un mix energético más contaminante.
Las instalaciones fotovoltaicas pueden compensar rápidamente este impacto medioambiental, ya que cada kilovatio-hora de electricidad producida «cuesta», en un periodo de 30 años, tan solo 28,7 g o 30,7 g de equivalente de CO2. Esto supone un ahorro considerable en comparación con los 344 g de equivalente de CO2 que, de media, genera un kilovatio-hora en el mix energético alemán. En concreto, la instalación alemana compensa en 1,7 años el CO2 emitido durante su fabricación. A este valor de 1,7 años lo denominamos «tiempo de amortización del CO2« (CO2-Payback-Time), como puede verse en la tabla. Este concepto describe el tiempo que tarda una instalación fotovoltaica en «saldar su deuda» de emisiones de CO2. Aunque en Austria tarda casi un año más, la energía solar sigue resultando rentable desde el punto de vista medioambiental en un plazo relativamente corto.
Durante un periodo de 30 años, la instalación de Austria puede generar un beneficio neto de más de 115 toneladas de equivalente de CO2, mientras que en Alemania la cifra es considerablemente superior, con un total de 177,9 toneladas. Esto equivale, respectivamente, a 11,8 y 17,2 veces las emisiones asociadas a la fabricación y la instalación.
¿Pero a qué se debe esta diferencia tan marcada? Lo que en un primer momento puede parecer confuso tiene una explicación sencilla: el mix eléctrico de Alemania es muy distinto del de Austria. Mientras que Austria apuesta principalmente por la energía hidroeléctrica y eólica, Alemania incluye en su mix energético una mayor proporción de lignito, hulla y gas natural, fuentes que tienen una mayor huella de CO2. Para ponerlo en perspectiva: entre el 75 y el 80 % de la electricidad que sale de los enchufes austriacos procede de fuentes renovables, mientras que en Alemania es aproximadamente un 57 %.
| Austria | Alemania | ||
| Impacto GWP (Potencial de calentamiento global) en kg de CO2e a nivel mundial (30 años, sistema FV completo, 1,5 inversores) | kg CO2e | 10 755,95 | 10 989,65 |
| Beneficios totales de CO2 (kg CO2e, 30 años) | kg CO2e | – 126 399,09 | – 188 940,91 |
| Beneficios netos | kg CO2e | – 115 643,14 | – 177 951,26 |
| Relación coste-beneficio | 11,8 | 17,2 | |
| Tiempo de amortización de CO2 | Años | 2,6 | 1,7 |
Conclusión
La extracción de materias primas, la fabricación de los distintos componentes, el transporte, los trabajos de montaje y mantenimiento, junto con la gestión de residuos y el reciclaje, son factores que influyen de manera decisiva en el balance de CO2 de una instalación fotovoltaica.
Aunque la tecnología solar depende de algunos metales preciosos poco comunes, del aluminio, del vidrio y del silicio, cuya obtención requiere un gran consumo de energía, muchos de estos materiales proceden de países que satisfacen su demanda energética principalmente con carbón, lo que aumenta su impacto ambiental. En el análisis del ciclo de vida de las instalaciones fotovoltaicas, es fundamental tener en cuenta las rutas de suministro de las materias primas y los productos hasta su destino, así como la gestión de residuos una vez que los componentes han llegado al final de su vida útil.
Aun así, nuestras dos instalaciones de ejemplo en Austria y Alemania son capaces de generar un enorme ahorro de CO2. Dependiendo del mix energético de cada país, ahorran entre 11,8 y 17,2 veces, respectivamente, más equivalente de CO2 del que generan en su fabricación. Por supuesto, cada instalación fotovoltaica es única debido a su ubicación y sus componentes, y producirá distintas cantidades de energía solar a lo largo de su vida útil.
En definitiva, la energía fotovoltaica merece la pena desde una perspectiva medioambiental.
Observación: Para escribir este artículo nos hemos basado en datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE) y del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE). En los cálculos se ha tomado como referencia el valor medio de diversos módulos, considerando tanto su eficiencia como su huella ecológica. Al fin y al cabo, existen diferentes tipos de módulos de distinta calidad, que se fabrican sobre todo, aunque no exclusivamente, en Asia. En lo que respecta al inversor, hemos utilizado información interna y hemos tomado como referencia nuestro Fronius Symo GEN24 10.0 Plus. Dado que en Fronius evitamos el transporte aéreo y fabricamos nuestros productos con energía renovable, así como con la electricidad generada en el tejado de nuestra fábrica, logramos reducir la huella de carbono de nuestros inversores. Esto significa que, en caso de utilizar un inversor de otro fabricante, los datos de tu instalación fotovoltaica actual o prevista pueden diferir de los indicados en este artículo.
¿Quiere saber más sobre los beneficios medioambientales del Fronius Symo GEN24 10.0 Plus? En nuestro análisis del ciclo de vida encontrará muchos más datos y cifras interesantes.
