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El sol calienta el silicio

27/03/2014

Además de para la industria de los semiconductores, el silicio puro se utiliza también para la fabricación de placas solares, una actividad que lo ha vuelto a poner de moda. Ante la concentración de la producción de este elemento, los fabricantes de paneles se preparan para darle un vuelco al mercado.España está bien situada en esta partida.

Al abrigo de estas circunstancias, no son los microchips los que están revolucionando el mercado del silicio a nivel mundial, sino la industria de energía solar, gracias al protagonismo que está adquiriendo para la generación de electricidad y calor.“De 1997 a 2000 se utilizó mucho el material rechazado por la industria de la microelectrónica, que era silicio ultrapuro”, explica Emiliano Perezagua, director de operaciones de Isofotón.

y añade: “Pero desde 1997 hemos vivido un crecimiento sostenido de un 20 a un 30% anual; mientras que el de la microelectrónica lo hace a un ritmo que oscila entre un 2 y un 5%. En ese año el consumo de silicio para fines relacionados con la energía solar era de un 5% de la producción total; en 2005 alcanzaba el 40%”. Según el experto de Isofotón, la industria del polisilicio tomó posiciones para hacer frente a la creciente demanda de las empresas de fabricación de paneles solares y asegurarse de que no se trataba de un hecho pasajero.

En 2004 los fabricantes de polisilicio decidieron reducir sensiblemente la producción y poner a prueba la demanda por parte de las empresas compradoras. Según la Asociación de la Industria Fotovoltaica (ASIF), el precio del silicio solar pasó de los 25 $/kg a finales de 2004 a los 40 $/kg a mediados de 2005 (ahora está en precios de contrato de entre 65 y 120 $/kg).

El resultado no se hizo esperar y los precios se elevaron,lo que permitió a los fabricantes recuperar parte de sus inversiones en las plantas de producción e incluso ampliar sus instalaciones. En esa situación de ventaja, Perezagua señala que “aprovecharon para cerrar contratos un tanto leoninos en los que se establecía un compromiso de pago adelantado a cambio de la provisión”. Según él, en el mercado existen unas siete empresas en todo el mundo que fabriquen polisilicio y que tienen acuerdos entre ellas.

 

Los solares se independizan

La respuesta de algunos de los fabricantes de paneles solares en los últimos años ha sido crear sus propias plantas de elaboración de polisilicio, dado que además se prevé un aumento considerable de la demanda. En concreto, 2007 cerrará con un consumo mundial de 40.000 t de polisilicio, una cifra que en el sector vaticinan que llegue a las 50.000 t en 2008 y del orden de 65.000 a 67.500 en 2009.

Silicio Energía (una empresa creada por Isofotón y Endesa, con el apoyo de la Junta de Andalucía) y Siliken se disputan el honor de ser las primeras en fabricar polisilicio en España. Ambas harán la competencia a los pocos fabricantes que se reparten el mercado de este material en el mundo.La segunda confía en contar con una planta que producirá unas 1.500 t de silicio solar al año para principios de 2008.

La iniciativa cuenta con un presupuesto de 100 millones de euros y llevará a cabo su actividad en Casa Ibáñez, provincia de Albacete. En cuanto a Silicio Energía, que será realidad un año más tarde, se gún sus planes, su establecimiento de producción se construirá sobre una superficie de 60.000 m2 en Los Barrios (Cádiz) y el despliegue de la instalación se efectuará en dos fases.

La primera tiene como fecha de inauguración el año 2009 y tendrá una capacidad de 2.500 t de polisilicio anuales. La segunda, prevista para comenzar a funcionar en 2010, supondrá doblar esa cantidad.En total, la inversión acometida alcanzará los 415 millones de euros y la actividad dará trabajo a 485 personas. Montar una planta no es algo del otro mundo.

La tecnología es bien conocida, según Perezagua (por ejemplo, hay sólo tres proveedores internacionales de los reactores y condensadores necesarios para la producción de silicio de alta pureza), pero el reto está en dar con la productividad adecuada para poder competir. Por eso, el proyecto en el que participa Isofotón se lleva gestando desde 2005, un tiempo dedicado a investigar.

El producto elaborado en la planta de Silicio Energía será lo que se denomina silicio solar. Se trata de un material con un 99,9999999% (los denominados nueve nueves) de pureza, un grado aceptable para la fabricación de placas solares, pero no para la industria de los semiconductores, que necesita un índice del 99,999999999% (once nueves).

Al menos esa ha sido la exigencia de la industria electrónica hasta ahora,ya que “uno de los problemas con los que se ha encontrado la industria solar es que la de los semiconductores se ha espabilado y ahora ya en algunas de sus aplicaciones se puede utilizar silicio solar”,describe Perezagua.

 

Más barato y limpio

Este experto afirma que en los próximos años el silicio puro, el que se emplea en paneles solares y semiconductores,se fabricará de forma más barata. Según él, el preciado material utilizado para crear energía, será de menor pureza, más económico.Pero mientras se refina esa tecnología, que promete un silicio solar a costes más competitivos, hay otros avances que ya se están aplicando en las plantas de producción de polisilicio.

Hoy, una de las maneras de ahorrar costes en la producción y comercialización de las principales materias primas, desde el aluminio al plomo, pasando por la madera o el papel, es reciclar, reutilizar los materiales tras la vida útil del producto y también en su elaboración. En el caso del silicio, se están usando procesos que permiten aprovechar los gases sobrantes de un ciclo de obtención de silicio ultrapuro (ver cuadro explicativo).

Con esta medida se recupera un 80% de residuos –que en este proceso son fundamentalmente nitrógeno e hidrógeno–, se purifican y se reutilizan en el siguiente ciclo. Esta iniciativa consiente abaratar costes, aumentar la productividad, reducir el consumo de materiales y hacer los procesos más limpios desde el punto de vista medioambiental.

 

Más que chips y paneles

Aunque la demanda de la industria solar ha hecho que el silicio adquiera de nuevo protagonismo, este material está presente en muchos otros usos cotidianos, desde los vidrios a las siliconas, o incluso en la industria metalúrgica. En todos los casos el origen es el mismo: la sílice, que es el nombre que se le da a un grupo de minerales compuesto de silicio y oxígeno (que es como se suele encontrar al silicio en la naturaleza).

De las diez formas en las que se puede hallar la sílice, la más habitual es el cuarzo.El mineral se debe limpiar de posibles impurezas (por ejemplo, de hierro) y después moler para dar lugar a la arena de sílice. Esta arena es la principal materia prima con la que trabaja la industria del silicio.Lo hace de dis tintas formas para dar lugar a otros materiales.

Algunos de ellos aprovechan las propiedades secantes del mineral,por lo que su uso se extiende a artículos muy cotidianos. Es el caso del gel de sílice, que se suele encontrar bajo la apariencia de pequeñas perlas dentro de bolsas en el interior de los embalajes, especialmente en aquéllos que deben conservarse contra la humedad, como es el caso de los productos de electrónica.

Victoria García, directora comercial de Haiyang en España, uno de los principales fabricantes de este producto a nivel mundial, comenta sus usos:“Nuestras ventas se dirigen sobre todo a las empresas eléctricas, químicas y de embalajes. El gel de sílice, básicamente, es un desecante y la industria eléctrica lo destina a absorber la humedad en los tranformadores”.

Los filtros de los depósitos de ácido sulfúrico,aplicaciones de aire comprimido, separador de impurezas en la industria petroquímica y un sinfín de usos que cubren desde el más técnico e industrial al más cotidiano.“Se utiliza mucho como desecante en los embalajes, por ejemplo en las cajas de galletas para mantenerlas crujientes”, señala Victoria García para destacar la cotidianidad de su uso.

 

El silicio más industrial

El gel es sólo una muestra de los productos que se derivan de la sílice, pero para llegar al silicio empleado en electrónica o en aplicaciones fotovoltaicas, así como en metalurgia, es necesario contar con otros productos que también surgen a partir de la sílice, como el denominado silicio metal (o silicio metalúrgico).

Este material se usa para elaborar productos derivados, desde microchips a siliconas. En España, Ferroatlántica –empresa del grupo Villar Mir– elabora este producto. La Península no es el único lugar en el que esta sociedad desarrolla su actividad (tiene plantas también en Venezuela), pero es en Galicia donde la compañía tiene una de sus explotaciones más importantes: en esta región se encuentra el yacimiento más grande de cuarzo de Europa.

Ferroatlántica es el mayor fabricante a nivel mundial de silicio metal (con una capacidad de 40.000 t al año) y su ascenso imparable puede verse reforzado en breve con una innovación que podría cambiar el mercado mundial del silicio.Nos referimos a un sistema por el que la firma asegura poder fabricar silicio metal de calidad solar a la mitad del precio actual,lo que impulsaría aún más la producción en el mercado nacional de este tipo de silicio ultrapuro de grado solar.

De momento,la sociedad española tiene otros clientes en diversos sectores de interés.El principal uso del silicio metal (un 55% aproximadamente) son las aleaciones con otros metales, especialmente aluminio,ya que le confiere una mayor dureza y mejor resistencia al calor. Las industrias que se sirven más de estas aleaciones son las de automoción, construcción e ingeniería y las principales aplicaciones son la fabricación de ruedas y de piezas críticas para el funcionamiento de los coches, cuando el grado de pureza del silicio utilizado es de los más altos.

Hay un segundo tipo de aleación de silicio y aluminio que según uno de los principales fabricantes del mundo, Elkem, se destina a los mismos sectores que las aleaciones de aluminio primario, pero su uso es diferente, ya que se emplea para partes menos especiales de los coches,hojas de aluminio,embalajes,etc.

 

Usos diversos

El silicio metal es asimismo la materia prima de la que se parte para la fabricación de siliconas, como las fluidas,los elastómeros y las resinas. Sus aplicaciones –que representan el 40% del destino del silicio con este grado de pureza– son muy variadas, desde el textil al sector aeroespacial, pasando por la automoción, los aparatos electrónicos y los plásticos en general. Ferroatlántica, además, fabrica ferrosilicio –con capacidad para elaborar 167.000 t al año– que, según los cálculos del U.S.Geological Survey, entidad norteamericana que proporciona datos estadísticos sobre minerales, acapara cuatro quintas partes de la producción total del silicio en el mundo.

Dado que éste tiene propiedades desoxidantes, se utiliza en aleación con el hierro para dar lugar al ferrosilicio, un material esencial en las aleaciones de hierro y acero y que sirve,por ejemplo,para la fabricación de acero carbónico y acero inoxidable.

En definitiva, el silicio –al menos el polisilicio– se ha vuelto a poner de moda y tanto en su elaboración como en la de su materia prima, el silicio metalúrgico,se esperan interesantes novedades tecnológicas y de mercado en los próximos dos años. Un momento, quizás, para adoptar posiciones en España; un hecho que la industria no ha dejado pasar desapercibido.

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EL SILICIO MÁS PURO

Para la fabricación del silicio aplicado en los sectores de la informática y la energía solar, se utiliza una variedad ultrapura del mismo. Primero se extrae el silicio del cuarzo (o de otro mineral), en la que se presenta como dióxido de sílice. Esto se consigue mediante un proceso de reducción que consiste en introducir esa materia básica en un horno de arco eléctrico junto a otro material carbónico (carbón, astillas de madera y coque son los más empleados).

El calor del arco hace que se separe el oxígeno del silicio y que éste último quede con una pureza del 99%, es decir, lo que se denomina silicio de grado metalúrgico o silicio metal. Este tipo de material ya se puede utilizar para diversas aplicaciones, como por ejemplo para añadirlo al aluminio o para fabricar siliconas.

Un segundo proceso (denominado Siemens) es el que se encarga de mudar este primer silicio en ultrapuro, para lo que primero se convierte en gas, el llamado triclorosilano. De este gas se extrae el silicio ultrapuro con la ayuda de un reactor a alta temperatura al que se añade hidrógeno. Con este material, que puede llegar a no tener más que un átomo de impureza por millón, se pueden fabricar los semiconductores y las obleas para aplicaciones de energía solar.

 

LA LÓGICA DEL SEMICONDUCTOR

El silicio es poco conductivo por lo que para que pueda circular electricidad por él hay que doparlo con otros materiales (añadírselos). Cuando esta operación se efectúa con ciertos componentes, como el fósforo o el arsénico, el resultado es una impureza tipo-N y los electrones que se generan tienen una carga negativa.

Cuando la misma operación se realiza con otros materiales, como el boro o el galio, se consigue una impureza tipo-P y los electrones generados tienen una carga positiva. La cuestión es que cuando se combinan capas tipo-P y tipo-N, se consigue un transistor y si se aplica una pequeña carga eléctrica, se logra encender o apagar una corriente eléctrica mayor.

En esas condiciones, es posible construir puertas lógicas que, combinadas, permiten realizar operaciones. La combinación de estos transistores en forma de puertas lógicas da lugar a los microprocesadores.

 

REVOLUCIONAR LOS PRECIOS

Eso es lo que dicen que van a conseguir en la empresa Reaction Sciences, Inc. (RSI). La compañía norteamericana promete un silicio utilizable como solar cuya producción costaría un tercio de lo que cuesta ahora y se elaboraría en plantas que se levantarían en la mitad de tiempo y con una inversión diez veces menor que la actual.

 

Clave del invento

Si la producción del silicio solar de una planta basada en método Siemens cuesta entre 25 y 30 $/kg, con la tecnología RSI costaría de 7 a 9 $/kg. La clave del invento es que se puede conseguir un silicio de grado solar con menos pureza aplicando de manera especial boro, fósforo y otros materiales.

No es necesario contar con caros procesos especiales como en el método Siemens, no se emplea gas triclorosilano y sí se utilizan materiales de bajo costo en lugar de silicio metalúrgico. En definitiva, una auténtica revolución para la industria fotovoltaica.