La economía circular aplicada en la masificación de la energía solar en Colombia
El concepto de economía circular analizado como estrategia para resolver los problemas de masificación de la generación de energía solar y crear una opción sostenible de optimización del ciclo de vida y reducción de los desechos generados al finalizar la vida útil de los equipos.
En la actualidad, la necesidad de utilizar nuevas fuentes de energía se ha convertido en una prioridad para reducir la contaminación del aire y mitigar el cambio climático. La energía solar fotovoltaica ha tenido un crecimiento mundial exponencial en las últimas décadas ya que es una excelente solución: tiene fácil instalación, puede operarse en zonas aisladas, su fuente de energía es inagotable, necesitan poco mantenimiento y tienen una larga vida útil.
Por otro lado, los precios de los paneles solares han disminuido notablemente y lo seguirán haciendo en las próximas décadas. El costo del módulo solar fotovoltaico en dólares (USD) por vatio en el mundo en 2019 fue el 0.35% de lo que costaba en 1970 y año a año continúa disminuyendo. En 2020, la Agencia Internacional de la Energía (IEA), afirmó que la energía solar fotovoltaica es ahora la fuente de electricidad más barata de la historia para proyectos con financiamiento de bajo costo que utilizan recursos de alta calidad. Esta disminución de precios ha logrado hacer que esta tecnología sea más asequible y ha incrementado su popularidad lo cual es un gran avance en la búsqueda por la descarbonización de la generación de energía y la disminución de sus impactos ambientales.
A pesar de que estas tecnologías tienen un gran potencial como fuentes de energía renovables y no son contaminantes durante su uso, es importante realizar un análisis de ciclo de vida completo y considerar el impacto que podrían tener millones de toneladas de residuos al finalizar su vida útil consecuencia de su masificación.
La transición energética y los proyectos que apoyan esta iniciativa traen consigo muchas ventajas como la mitigación de los efectos del cambio climático y la reducción de emisiones de CO2, pero finalizada la vida útil de los paneles solares ¿qué pasará con ellos?
Este artículo pretende explorar en el contexto colombiano la problemática inminente de la disposición de paneles fotovoltaicos al finalizar su vida útil provenientes de los sistemas energéticos distribuidos y como puede enfrentarse desde una perspectiva de economía circular.
El grupo EnergEIA de la Universidad EIA está centrado en apoyar la transición energética de Colombia promoviendo la investigación sobre la descarbonización, descentralización, digitalización y democratización del sector, en especial, desde la perspectiva de los prosumidores de energía. Este grupo, en conjunto con University College London (UCL), EPM y ERCO, crearon la Iniciativa de Energía Transactiva para Colombia, en la cual se están desarrollando dos proyectos piloto de energía solar en Medellín a través de modelos de autoconsumo comunitario e intercambio de energía entre pares. El objetivo es desarrollar una base de evidencia que permita promover los sistemas de energía limpios y descentralizados y la viabilidad de modelos de negocio que empoderen a los usuarios finales de energía.
Desde el grupo EnergEIA buscamos evaluar el impacto de los residuos de sistemas solares fotovoltaicos en el país a medida que se cumplan las metas de masificación de esta tecnología en los próximos años. A partir de esta evaluación buscamos encontrar estrategias sostenibles de gestión de estos residuos para identificar oportunidades de aprovechamiento y reducir su impacto.
Crecimiento de la capacidad fotovoltaica en Colombia a 2030
En Colombia, la transición energética avanza rápidamente. La Unidad de Planeación Minero Energética (UPME) desarrolló el Plan de Expansión de Referencia Generación-Transmisión 2020–2034 en el cual se presentan diversos escenarios para mostrar la expansión en generación necesaria para abastecer la demanda de energía eléctrica en el sistema interconectado nacional, considerando para esto, la disponibilidad de recursos naturales, el precio de combustibles fósiles y el desarrollo de proyectos de generación. Tomando un promedio de los valores determinados para la energía solar fotovoltaica a gran escala en cada uno de los escenarios del Plan, la proyección de capacidad instalada para 2034 es de 2383 MW. En este sentido, nos permitimos estimar un valor de 2300 MW para el año 2030.
La energía solar distribuida se consideró constante en todos los escenarios del Plan de Expansión de la UPME, sin embargo, en 2020 el grupo de Energética 2030 en compañía el grupo empresarial ISA presentaron unas proyecciones de posibles escenarios de incorporación de los recursos energéticos distribuidos (es decir, plantas solares en techos) en Colombia. Entre 3 escenarios de penetración de renovables (alto, medio y bajo), que dependen de señales económicas y políticas, para un escenario de crecimiento medio la capacidad instalada de generación de energía solar distribuida en Colombia a 2030 sería de 5300 MW en total.
En resumen, estimamos que para el año 2030 Colombia cuente con una capacidad instalada cercana a las 7500 MW de energía solar, con 5300 MW instalados en techos, y 2300 MW en grandes plantas de generación.
Si bien puede llamar la atención que la capacidad instalada en energía distribuida sea mucho mayor que la de gran escala, los comportamientos del mercado actual en otros países permiten afirmar que esta no es una tendencia aislada. En la siguiente gráfica (Imagen 2) se presenta el crecimiento que está teniendo Brasil en generación de energía solar fotovoltaica, siendo la barra azul los sistemas energéticos distribuidos y la amarilla las plantas solares a gran escala. Se observa que el mercado traía una tendencia de mayor crecimiento en sistemas solares a gran escala pero que en los últimos años se ha incrementado la participación de los sistemas energéticos distribuidos en la generación de energía solar.
Tamaño del mercado de los residuos solares fotovoltaicos en Colombia
Según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), se estima que en el mundo habrá entre 60 y 78 millones de toneladas de residuos de paneles solares fotovoltaicos en el 2050. La masificación de otros tipos de generación de energía trae consigo nuevos retos de disposición y aprovechamiento de los recursos en la gestión de residuos, aunque también es una oportunidad sin precedentes para crear valor y nuevos modelos de negocio que aseguren servicios energéticos realmente sostenibles.
Los paneles solares tienen una vida útil de aproximadamente 25 años y están compuestos de materiales con un alto potencial de aprovechamiento como el vidrio y el aluminio. La ausencia de una adecuada gestión haría que irremediablemente estos materiales terminarán en un relleno sanitario. Además de ser un desperdicio de materia prima que puede reincorporarse a la cadena productiva, es un riesgo potencial ya que en su interior los paneles contienen una variedad de elementos que pueden comenzar a degradarse y volverse tóxicos y corrosivos si no se les da una gestión apropiada como el silicio dopado con fósforo y boro, metales pesados como el cadmio y el plomo y metales raros como el galio y el indio. Estos compuestos pueden producir lixiviados e infiltraciones causando daños significativos en la calidad del agua, suelo y aire.
Considerando el promedio de generación de energía y el peso promedio de un panel solar, a continuación, se presenta la estimación de toneladas de residuos provenientes de la generación de energía solar en Colombia a 2030 que se deberán disponer al finalizar su vida útil.
El tamaño potencial del mercado, únicamente para Colombia, teniendo en cuenta la cantidad de paneles solares desechados puede llegar a ser de aproximadamente $ 345.000.000 USD considerando que el reciclaje de un panel cuesta aproximadamente $20 dólares.
Economía Circular para la energía solar fotovoltaica
El concepto de economía circular surge como un cambio de paradigma en la manera como producimos y consumimos bienes. La economía circular busca que se haga un uso óptimo de los recursos durante el mayor tiempo posible reduciendo el consumo de materias primas, energía, la generación de residuos y emisiones atmosféricas en los procesos productivos.
La transición hacia una economía circular no es solamente disminuir los impactos, sino que se busca un cambio sistémico para generar oportunidades económicas y de negocios que a su vez tengan beneficios ambientales y sociales. La “mariposa” de Ellen MacArthur (Imagen 3) es un diagrama referente a la economía circular que hace una distinción entre los ciclos técnicos y biológicos. Los ciclos biológicos hacen referencia a alimentos y materiales de base biológica que son diseñados para regresar transformados al sistema mediante procesos de compostaje y digestión anaerobia. Los ciclos técnicos, que sería el caso de los paneles solares, buscan recuperar y restaurar componentes y materiales con estrategias de reutilización, reparación, redistribución, remanufactura o como última opción el reciclaje.
En el diagrama se tienen en cuenta varios conceptos. El “poder del circulo interior” se refiere a que cuanto más pequeño es el circulo, menor será el cambio al que debe someterse el producto para ser reutilizado, transformado o refabricado y más rápido podrá volver a ser utilizado. A su vez es mayor el ahorro en términos de material, mano de obra y energía.
El “poder circular por más tiempo” se refiere a maximizar el número de ciclos consecutivos (puede ser en reutilización, refabricación o reciclaje) y/o el periodo de cada ciclo.
En el panorama global de la cadena de valor de los paneles solares, se encuentran diferentes esfuerzos para lograr la economía circular en base a las diferentes estrategias del ciclo técnico de Ellen MacArthur.
- Fabricación de productos
Las tendencias actuales en los fabricantes de paneles solares tienen como prioridad lograr ahorros en las materias primas y sustituciones de diferentes componentes buscando reducir la cantidad de materiales peligrosos sin comprometer la eficiencia del equipo. En el caso de los paneles de silicio se busca disminuir tanto materiales comunes como el vidrio, polímero encapsulante (EVA) y aluminio como materiales con potencial peligroso como la plata, el plomo y el silicio. En otros tipos de paneles se busca reducir compuestos como el cadmio, galio, indio, selenio, níquel, entre otros. Estas reducciones pretenden minimizar la cantidad por panel para ahorrar costos.
Sin embargo, esta producción con disminución de materiales aún está en una etapa de investigación y desarrollo con algunas excepciones que ya se encuentran en el mercado. Aun así, dos tercios de los paneles manufacturados en el mundo son de silicio, los cuales requieren mayores esfuerzos para su aprovechamiento y serán una fuente significativa de residuos en las próximas décadas.
- Compartir
La tecnología de los paneles solares se va actualizando año a año y aparecen nuevos tipos de paneles más eficientes y duraderos. Por esto, es común que las personas quieran actualizar sus paneles actuales que aún tienen algunos años de vida útil. Estos paneles pueden hacer parte de un mercado de segunda y pasar de un usuario a otro sin necesidad de realizar ningún tipo de proceso técnico. Este proceso sería el “circulo interior” más corto del diagrama mariposa y el que menos inversión necesita ya que el proceso de reincorporación se hace entre usuarios sin necesidad de intervención de la cadena productiva.
- Mantenimiento
Los paneles solares van disminuyendo su eficiencia por factores como deterioro, variaciones climáticas y altas temperaturas, sin embargo, con un mantenimiento preventivo adecuado es posible alargar su vida útil por más de 25 años que es el tiempo establecido por los fabricantes. Este proceso necesita intervención de empresas proveedoras de servicios para garantizar el mantenimiento periódico de los equipos, pero el control de la eficiencia de operación del panel durante varios años incrementando su rendimiento significa también un aumento en la rentabilidad de la generación de energía sin tener que realizar ninguna inversión de modernización en los equipos solares.
- Reuso / redistribución
El fin de la vida útil de un panel solar se determina por una disminución de aproximadamente el 20% con respecto a la eficiencia inicial que tenía el panel, pero esto no significa que sean inservibles. Procesos de reparación y repotenciación se convierten en alternativas viables que permiten crear mercados de segunda vida reintroduciéndolos al circuito económico.
Los avances tecnológicos de manufactura buscan aumentar la eficiencia y productividad de los nuevos paneles solares, por esta razón es posible que en 25 años cuando termine la vida útil de los paneles actuales, el mercado de segunda no sea atractivo pues paneles solares mucho más eficientes y con precios más bajos estarán disponibles. A pesar de esto, hay un potencial de aprovechamiento con un enfoque más social en el que estos paneles de segunda pueden ser útiles como la electrificación solar de zonas rurales y de bajos recursos.
- Renovación/ Refabricación/ Reciclaje
La última alternativa que considera la economía circular es el Reciclaje, es la alternativa que más energía y procesamiento requiere. El reciclaje es el proceso por el cual los desechos se transforman en nuevos materiales para fabricar otros productos, esto reduce el consumo de materias primas y aprovecha los residuos generados.
Para el caso de los paneles solares, conceptos como “minería urbana” se vuelven particularmente relevantes. La minería urbana es la extracción de los componentes de los aparatos eléctricos y electrónicos (conjunto al que pertenecen los paneles solares), para conseguir materias primas útiles en la fabricación de nuevos aparatos sin necesidad de extraer dichos componentes del subsuelo.
Negocios existentes de Economía circular
Alrededor del mundo existen diversas organizaciones y empresas que se dedican a negocios de economía circular con energía solar fotovoltaica. A continuación, se presentan algunos ejemplos:
- PV Cycle (Unión Europea): http://www.pvcycle.org/
Es una organización sin ánimo de lucro cuyo objetivo es facilitar el cumplimiento normativo de los productores, distribuidores, comercializadores y consumidores de paneles solares. Inicialmente fue concebida como solución para la gestión de residuos de la industria fotovoltaica, actualmente cubre una más amplia gama de residuos de aparatos eléctricos y electrónicos. Más del 70% de los fabricantes de paneles fotovoltaicos en la Unión Europea hacen parte de la red PV Cycle para gestionar sus residuos eléctricos y electrónicos.
2. ROSI: Return of Silicon (Francia): https://www.rosi-solar.com/
Es una empresa que ofrece soluciones innovadoras para el reciclaje y revalorización de materias primas solo en la industria fotovoltaica. Las tecnologías permiten recuperar silicio ultrapuro y otros metales que se pierden actualmente durante la producción de células fotovoltaicas y al final de la vida útil de los paneles solares. El costo del silicio de grado fotovoltaico representa hasta el 20% del costo total de un módulo fotovoltaico.
3. Alectris (Unión Europea): https://alectris.com/
Servicios de repotenciación y renovación para el cuidado de activos solares fotovoltaicos aumentando el rendimiento energético de las plantas para extender su vida útil. Ofrece innovación en el cuidado de activos para la industria solar global con servicios de mantenimiento y gestión de activos, software y tecnologías de modernización.
4. RePurpose Energy (Estados Unidos): https://www.repurpose.energy/
Es una empresa que reutiliza las baterías de los vehículos eléctricos para almacenar energía solar en sistemas de almacenamiento de energía más sostenibles y de menor costo. Prestan servicios de diagnóstico de estado de las baterías, sistema avanzado de gestión de baterías para alargar su vida útil y sistemas de almacenamiento de energía con baterías repotenciadas para paneles solares fotovoltaicos.
El caso de los sistemas solares fotovoltaicos con baterías
Los sistemas solares fotovoltaicos con almacenamiento permiten a los usuarios una autonomía mayor con respecto a la generación de energía debido a que no necesitan estar conectados a la red eléctrica y puede utilizarse la energía sin importar si hay o no luz solar. Este tipo de sistemas requieren de una batería, un equipo de almacenamiento que permita guardar los excedentes de energía que se producen en las horas de luz, para utilizarlas en las horas de la noche.
Al igual que los paneles solares, las tendencias de investigación en las baterías tienen el objetivo de lograr altas eficiencias con pocos materiales, menor tamaño y más duración. La principal industria que ha motivado la modernización de estos aparatos es la movilidad eléctrica, una industria que avanza rápidamente motivada por las problemáticas de cambio climático, alto consumo de combustibles fósiles y la necesidad de reducir las emisiones de gases que deterioran la calidad del aire
Consecuencia de esto, los precios de las baterías continúan bajando para lograr que los vehículos eléctricos sean competitivos respecto a los de combustión eléctrica. Se espera que para el año 2040 el 57% de las ventas globales sean de vehículos eléctricos, representando el 30% de la flota total (Bloomberg, 2019).
A pesar de que las baterías tienen diversas aplicaciones, el crecimiento exponencial que se prevé para la industria de movilidad eléctrica traerá a su vez un aumento de los residuos generados que deberán disponerse los cuales son peligrosos por la naturaleza de sus componentes químicos como el plomo, ácido sulfhídrico, cadmio, níquel y litio sin embargo aproximadamente el 90% de estos pueden ser aprovechados después de su vida útil (RutaN, 2015).
Además de esta oportunidad de aprovechamiento, en especial las baterías desechadas provenientes de la movilidad eléctrica tienen un gran potencial en mercados de segunda vida ya que, para garantizar el buen funcionamiento de los vehículos, las baterías deben reemplazarse cuando su eficiencia ha disminuido al 70–80% de sus niveles iniciales. La repotenciación de las baterías provenientes de este mercado para uso de almacenamiento de energía solar permitiría viabilizar su implementación y una asequibilidad mayor para consumidores de sistemas energéticos distribuidos.
Conclusión
La aparición de las nuevas tecnologías de generación de energía busca mitigar los impactos ambientales de las tecnologías pasadas y su objetivo es alcanzar mayores metas en pro de la sostenibilidad. Sin embargo, debido a la masificación de estas tecnologías, especialmente la solar fotovoltaica, también aparecen nuevos retos como la gestión de los residuos electrónicos. El diseño de estrategias sostenibles para la gestión de estos residuos tiene un gran potencial para su reincorporación en el mercado y es la forma adecuada de estar más cerca de alcanzar los objetivos de desarrollo sostenible y economía circular.
Con base en referentes de modelos de negocio actuales implementados en otros países, desde la EIA estamos investigando sobre modelos de negocio sostenibles para la gestión de estos residuos en el contexto colombiano para evitar problemas de disposición en el futuro y constituir la energía solar fotovoltaica como una opción realmente sostenible.
Más que un problema ¿es posible que el futuro crecimiento de los residuos de los paneles solares y las baterías puede convertirse en una oportunidad rentable y sostenible en el mercado colombiano?
Artículo escrito por Juanita Giraldo, Juan Pablo Cárdenas y Juan Manuel España.
Referencias
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