energia solar e produção de silício metálico baseado no

ENERGIA SOLAR E PRODUÇÃO DE SILÍCIO METÁLICO
BASEADO NO PROGRAMA QITS
(“QUARTZ INDUSTRIAL TRADE SYSTEM”)
Carlos K. Suzuki
UNICAMP, Faculdade de Engenharia Mecânica, Dema
Laboratóro Ciclo Integrado de Quartzo
13081-970 – Campinas, SP Tel: (019) 788-3334, Fax: (019) 289-3722
José Tomaz V. Pereira
UNICAMP, Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Energia
13081-970 – Campinas, SP, Brasil, Tel: (019) 788-xxxx, Fax: (019) 289-3722
RESUMO
Não obstante na condição de um dos
principais produtores de silício metálico para as
empresas de alta tecnologia em todo o mundo, o
Brasil ainda não conseguiu delinear uma estratégia
sobre a complexa problemática das diversas
questões ambientais e de sustentabilidade envolvidas
neste tema. A perspectiva clara de uma explosão na
demanda de silício para uso em células solares para
geração de energia, torna urgente o entendimento
profundo e integrado desta atividade, especialmente
se for considerado que o Brasil é o único país com
possibilidades de suprir a demanda futura por este
material estratégico.
O programa QITS (“Quartz Industrial Trade
System”) através de um modelo de integração de
temas multi-disciplinares do sistema quartzobiomassa-silício, tem realizado estudos da cadeia
completa do ciclo de vida dos materiais envolvidos
no sistema, desde a extração de recursos naturais, o
seu processamento e a manufatura de artefatos de
alta tecnologia, incluindo a reciclagem e reutilização
parcial dos resíduos e rejeitos nas suas diversas
etapas de processamento.
São apresentados neste trabalho, alguns
exemplos de desenvolvimento de fontes de materiais
alternativos e de tecnologias inovativas para a
obtenção de silício metálico, atualmente em
execução.
ABSTRACT
Albeit at the condition of one of the main
world metal silicon producer, Brazil has still not
been able to delineate a clear strategy for the
multiple and complex problems involving
environmental and sustainability questions for the
production of this important material. Their
understanding is urgent due to the world perspective
of a huge metal silicon demand for solar photoconversion energy generation using silicon-based
solar cells. In this situation, Brazil will be one of the
only countries in the world with such a capability for
supplying the exploding demand of this strategic
material.
The QITS – Quartz Industrial Trade System
program has been working on the new model of
integration of the multi-disciplinary themes of
quartz-biomass-silicon system along its complete
materials life-cycle. It starts with the extraction and
processing of natural resources evolving into the
activity of fabrication of high technology artifacts.
Environmental, social, economical, trading, and
technological aspects are also analised. Some
representative results of QITS for the development
of alternative source of materials and innovative
technologies to obtain metal silicon are presented.
INTRODUÇÃO
Mesmo antes da exaustão das reservas
mundiais de petróleo e carvão mineral, existe na
atualidade uma forte tendência de substituição da
energia de origem fóssil por fontes de energia
renovável, tendo como principal objetivo a redução
do impacto ambiental (redução da emissão de CO2)
relacionado com o aquecimento global e mudanças
climáticas.
Neste contexto, dentre as diversas fontes de
energia alternativa, o aproveitamento da energia
solar através da geração de energia elétrica por
efeito foto-voltáico em células de silício, é
considerado um dos processos de grande interesse
em termos ambientais. Através da utilização desta
energia elétrica, a produção de combustíveis para
fins auto-motivos, como é o caso do hidrogênio,
pode ser gerado a partir da água.
Em termos tecnológicos, o silício é um
material consagrado para a produção de células
solares, podendo ser utilizado tanto na forma de
mono-cristais, como também policristais, ou ainda
como filmes finos de silício amorfo. Dentre os três
tipos mencionados, a célula monocristalina, que é
preparada a partir de um mono-cristal de silício,
apresenta a maior eficiência de conversão fotovoltáica chegando na atualidade a um valor máximo
de 22,7%, sendo os valores típicos dentro do
intervalo de 12-15% (o valor recorde alcançado em
laboratório é de 24%). Valores típicos de eficiência
de conversão para células de silício policristalino e
amorfo são, 11-14% e 6-7%, respectivamente.
Na atualidade, a produção mundial de
silício metálico é de aproximadamente 1 milhão de
toneladas/ano [1], sendo a maior parte aplicada em
química fina a base de silicone, microeletrônica e
tecnologia da informação, e ligas especiais. Uma
parcela ínfima deste total de silício produzido
(~1%), é hoje utilizado para a produção de células
solares. Entretanto, existe uma forte tendência de
aumento acentuado no consumo de silício baseado
numa explosão da geração de energia elétrica via
foto-conversão solar. Por exemplo, a estimativa de
suprir energia solar para 200 milhões de novos
consumidores a cada ano, equivalente a geração
diária de 600 GWh, corresponderia a uma produção
adicional da ordem de 1,2 milhões de toneladas/ano
de silício metálico [2].
Para a obtenção do silício através do
processo de redução carbotérmica do quartzo
(dióxido de silício), faz-se uso dos insumos básicos,
quartzo, carbono em forma de carvão vegetal ou
mineral, lascas de madeira, e energia elétrica.
Embora exista um complexo sistema de equações
químicas envolvidas neste processo, a principal
equação para a produção de silício é:
SiO2 + 2C → Si + 2CO.
(1)
(quartzo) (carbono) (silício) (monóxido de carbono)
Assim sendo, a principal emissão neste caso é o CO,
que se oxida em contato com o ar transformando-se
em CO2 (dióxido de carbono), numa proporção de
cerca de 4,2 kg de CO2 por kg de silício produzido.
Outras emissões secundárias de grande impacto
ambiental, como é o caso do dióxido de enxofre,
pode ocorrer quando se utiliza o carvão mineral. Por
outro lado, a utilização do carvão vegetal apresenta
grandes benefícios ambientais, em virtude do
seqüestro de CO2 e liberação de oxigênio no ar no
ciclo de fotosíntese da planta, somando-se ao fato da
quase não existência de emissão de enxofre. Por
estas razões, e devido ao crescente controle para
minimização de emissões de CO2, de acordo com o
protocolo de Kyoto, existe na atualidade, uma forte
tendência de substituição do carvão mineral por
carvão vegetal nas atividades industriais de redução
carbotérmica de minério. Em pouco tempo, o carvão
vegetal deverá se tornar uma importante
“commodity” no mercado internacional.
Presentemente, os principais produtores de
silício no mundo são: Brasil, Estados Unidos, China,
e Noruega. Entretanto, numa situação de uma
demanda repentina causada por uma explosão no
consumo de silício para energia solar, o Brasil é o
único país do mundo com capacidade de suprir esta
necessidade. Entretanto, a questão mais importante é
“qual o grau de insustentabilidade que esta atividade
iria acarretar ao país, e em termos globais?”. O
Programa QITS tem desenvolvido diversos estudos
neste sentido visando atender aos vários aspectos de
sustentabilidade nesta atividade estratégica, tais
como preservação dos recursos quartzíferos,
minimização dos impactos ambientais causados nos
diversos estágios de extração dos recursos naturais e
do processamento primário, redução de emissões, e
reutilização dos resíduos gerados.
PROGRAMA QITS E CENÁRIO ATUAL
O programa QITS foi inicialmente
concebido através de uma parceria entre The United
Nations University, Institute of Advanced Studies
(UNU/IAS), o Laboratório Ciclo Integrado de
Quartzo (LIQC/UNICAMP/FEM), a Universidade
de Tsukuba (Japão), e o Latvian State Institute of
Wood Chemistry (LSIWC, Letônia), com o objetivo
de identificar e propor soluções alternativas as
questões ambientais, sociais, econômicas e
tecnológicas deste vasto e complexo sistema
integrado quartzo-biomassa-silício [3],[4]. Este
projeto dedica-se ao estudo de temas multidisciplinares do sistema quartzo-biomassa-silício,
que envolve a extração de recursos naturais, o seu
processamento em diversos estágios, e a manufatura
de produtos e artefatos de alta tecnologia, tais como,
células solares, fibras ópticas e “microchips”. Atua
também na reciclagem e reutilização parcial de
resíduos e materiais rejeitados, incluindo o estudo
dos aspectos ambientais, sociais, econômicos, e de
sustentabilidade deste ciclo de materiais. Inclui
ainda um estudo do LCA (“life cycle assessment”)
deste sistema de materiais [5]. Tendo em vista o
potencial estratégico de recursos naturais do Brasil,
o programa QITS adotou o cenário brasileiro como
estudo de caso. A metodologia adotada pelo QITS
foi baseada no princípio ZERI (“Zero Emission
Research Initiative”) [6], que prega o conceito de
“minimização dos resíduos no ar, água e solo”, e a
“reutilização dos resíduos de uma indústria como
insumos para outras indústrias”.
As principais questões identificadas pelo
QITS no estágio de extração e processamento
primário do sistema quartzo-biomassa-silício, são:
(a) uma quantidade excessiva de rejeitos de lascas de
quartzo natural resultante da atividade da indústria
de silício e ligas de silício; uma parcela de ~15% do
total de quartzo extraído é descartado em forma de
rejeitos nos processos de extração, “crushing”,
lavagem e seleção das lascas de quartzo;
(b) muito embora a maior parte do carvão vegetal
produzido para uso em produção do silício seja
derivado de floresta plantada, no computo geral de
produção nacional, existe ainda hoje uma
significativa parcela de carvão derivado de floresta
nativa;
(c) embora existam grandes projetos de
reflorestamento no país, há necessidade de um
estudo mais profundo das implicações ambientais de
mono-culturas em grande escala, assim como a
possibilidade de exploração controlada e sustentável
de florestas nativas;
(d) os fornos industriais de arco elétrico usados no
processo de redução são abertos para facilitar a
alimentação dos insumos; a sua eficiência na
conversão da energia elétrica é baixa ( ~30%) pois a
maior parte é perdida em forma de CO e SiO; para
permitir a maior permeabilidade dos gases CO e
SiO, os fragmentos da matéria prima utilizada
(quartzo e carvão vegetal) possuem uma
especificação definida quanto a sua granulometria,
sendo que as partículas mais finas (menores) são
rejeitadas;
(e) quantidade superior a 15% de finos de carvão
vegetal é rejeitado;
(f) em sua maioria, lascas de quartzo de excelente
qualidade são utilizadas, muito embora o processo
em si introduz impurezas; para se obter a
especificação de 98,0 a 99,5% de pureza (silício
grau metalúrgico), o silício no estado fundente é
submetido a um processo de refino através da
injeção de gases (oxigênio ou nitrogênio); como
conseqüência, há a formação de escórias na qual
~7% da produção total de silício é perdida; há
necessidade pois de se desenvolver um processo
econômico e ambientalmente viável para a
reciclagem destas escórias;
(g) considerando a produção atual brasileira de
silício e ferro-silício, a quantidade de quartzo natural
dispendido é de ~2 milhões de toneladas; neste
ritmo, as reservas conhecidas de quartzo no Brasil
seriam exauridas em 30 anos; entretanto, se
acrescentarmos à produção atual um aumento
adicional de 1 milhão de toneladas/ano, estas
reservas quartzíferas seriam exauridas num período
de menos de 15 anos; há portanto a necessidade
urgente de reciclagem e reutilização dos rejeitos de
quartzo, e utilização de fontes alternativas e
abundantes de quartzo de menor qualidade, como é o
caso do quartzito e quartzo de origem pegmatítica;
(h) em termos de processo de redução e matéria
prima, uma comparação das condições brasileiras
com as atividades industriais no exterior mostra que
fazemos uso de um dos melhores insumos de
quartzo e fonte carbonácea em termos de pureza, não
havendo entretanto, grandes vantagens na pureza do
silício obtido (havendo a necessidade de purificação
por processos de refino); este fato justificaria o
desenvolvimento de uma tecnologia alternativa de
redução do quartzo.
PRODUÇÃO DE SILÍCIO: PARADIGMAS
BÁSICOS
Alguns dos paradigmas básicos definidos
pelo programa QITS para a produção sustentável de
silício compreende a busca por fontes alternativas de
matéria-prima, particularmente o bagaço de cana-deaçúcar como substituto da madeira para obtenção do
carvão vegetal, e o desenvolvimento de uma
tecnologia inovativa para redução do quartzo em
silício, através da aplicação da tecnologia de plasma.
Uma das grandes vantagens da tecnologia de plasma
neste processo consiste na possibilidade de
aproveitamento do carvão vegetal de bagaço de cana
e finos de carvão de madeira, e também da utilização
de pó de quartzo reciclado a partir de lascas
rejeitadas pelas indústrias de silício. O trabalho de
obtenção e caracterização das propriedades do
carvão vegetal de bagaço de cana em nível
laboratorial foi realizado com sucesso [7],[8],
através de uma interface de colaboração do
LIQC/UNICAMP com o UNU/IAS, e o LSIWC.
Com relação as lascas rejeitadas na produção de
silício,
foi
desenvolvido
uma
tecnologia
ambientalmente amigável, denominada “quenchleach” e “crush-leach”, sem a utilização de ácidos
para a purificação de lascas de quartzo [9]. Todos os
trabalhos relacionados com a tecnologia de plasma
foram desenvolvidos através de uma interface de
colaboração com o Grupo de Plasma do Instituto de
Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo.
No trabalho de obtenção do carvão a partir
do bagaço de cana foi desenvolvido um termo-reator
de aço com pás internas móveis para remexer o
bagaço, que foi aquecido indiretamente por
resistências elétricas [7]. Sob duas condições de
pirólise, em temperaturas de 430°C e 520°C, o
material obtido foi denominado carvão-bagaço 1 e 2,
respectivamente. Para efeito de comparação, foi
utilizado o carvão de madeira de eucalipto. Estudos
da cristalinidade, composição química, porosidade,
estrutura e heterogeneidade em nível atômico foram
realizadas visando obter as propriedades do carvão
vegetal para utilização como carbo-redutor do
quartzo na obtenção do silício metálico. A Fig. 1
apresenta a composição química dos principais
minerais contidos no carvão de bagaço (amostras
carvão-bagaço 1 e 2) [10]. Impurezas de quartzo
apresentam-se com concentrações de 1,52% e 1,82%
para as amostras 1 e 2, respectivamente (Tabela 1).
Em principio, a presença de quartzo neste carvão
não apresenta nenhum inconveniente para redução
do próprio material quartzo. Assim sendo, uma
comparação da quantidade total de impurezas ou
cinzas no carvão-bagaço (sem considerar o quartzo)
é de 2,38% a 2,98% em comparação com 0,30% do
carvão de eucalipto. Estes valores de impurezas
(minerais) podem ser reduzidos por processos de
desmineralização [7]. A produção em escala piloto
de carvão vegetal de bagaço de cana deverá ser
obtida pelo NIPE – Núcleo Interdisciplinar de
Impurezas encontradas por XRF
0,9000
0,8000
0,7000
0,6000
Na2O
MgO
Al2O3
P2O5
SO3
Cl
K2O
CaO
TiO2
MnO
Fe2O3
NiO
ZnO
0,5000
0,4000
0,3000
0,2000
0,1000
0,0000
Carvão
Vegetal
Bagaço 1
Bagaço 2
Figura 1. Análise por espectrometria de fluorescência de raios-X, mostrando impurezas encontradas nas amostras de
carvão vegetal de madeira e bagaço de cana [9].
Tabela 1. Demonstrativo de carbono fixo e SiO2 encontrados nas amostras carbonizadas de bagaço de cana e carvão de madeira, analisadas
por espectrometria de fluorescência de raios-X ( % em peso em relação ao total).
Carvão de Madeira
Carvão B1
Carvão B2
Carbono Fixo
99,7
96,1
95,2
SiO2
0,0037
1,52
1,82
150
Lascas de Quartzo
In-Natura
Tratado
100
50
ND
ND
0
Na
K
Mg
Ca
Mn
Fe
Al
Fig. 2. Efeito do processo de purificação dos rejeitos de quartzo [9].
Planejamento Energético da UNICAMP em
colaboração com a Copersucar.
A Fig. 2 apresenta o efeito de purificação
dos rejeitos de quartzo usando um processo de
purificação ambientalmente amigável [9], que
possibilita a aplicação deste material tanto para a
produção de silício, como também em outras
aplicações tecnológicas, como por exemplo, sílica
vítrea para microeletrônica.
Figura 3 (a). Sistema de maçarico e reator de plasma para redução
do quartzo em silício.
Figura 3 (b). Imagem do arco de plasma para distância ánodocátodo de 150 mm.
O sistema composto pelo maçarico de
plasma do tipo arco transferido e pelo reator de
plasma pode ser observado na Fig. 3 (a). Na
condição de operação, o arco de plasma, que neste
caso opera com gás de argônio, pode ser visualizado
na Fig. 3 (b). Experimentos de fusão com plasma
para a recuperação de silício contido em escórias
mostraram a viabilidade técnica e econômica deste
processo. A análise química da Tabela 2 mostra que
o silício recuperado atinge o nível de silício grau
metalúrgico.
Os experimentos de redução do quartzo
usando este equipamento de plasma, e o estudo
completo do ciclo dos materiais envolvidos estão
atualmente em desenvolvimento, e os resultados
serão objeto de relato num futuro próximo.
Tabela 2. Análise química do silício recuperado a partir de escórias de silício por espectrometria de fluorescência de raios-X [10].
#1
#2
#3
#4
#5
Si
98,201
98,822
97,866
98,393
98,950
Fe
0,742
0,945
1,745
1,287
0,814
Ca
0,820
0,103
0,182
0,150
0,108
Al
0,152
0,051
0,078
0,066
0,049
DISCUSSÕES E CONCLUSÕES
A tecnologia de células solares a base de
silício para geração de energia é de total domínio na
atualidade. Um estudo recente da razão do
rendimento de energia da célula solar de silício
(razão da energia total gerada pela célula, pela
energia total dispendida na sua construção, incluindo
a produção dos painéis) demonstrou que este fator é
de 39 (para um rendimento médio de conversão de
célula de 12,5%) [12], valor bastante superior aos
dados divulgados anteriormente. Em termos de
emergia, que leva em consideração também o
trabalho da natureza, as fotocélulas produzem 3,7
mais emergia do que aquela utilizada em sua
produção [12]. Considerando as vantagens advindas
da não emissão de gases e metais pesados, em
virtude da substituição do combustível fóssil, os
Ti
0,052
0,045
0,077
0,061
0,047
Cr
0,001
0,001
0,002
0,001
0,001
Mn
0,014
0,014
0,023
0,018
0,013
Ni
0,015
0,017
0,026
0,021
0,016
Sr
0,003
0,002
0,002
0,002
0,002
benefícios seriam ainda maiores. Entretanto, a maior
carga e desafio para preservar o principio do
desenvolvimento sustentável encontra-se no estágio
de extração dos recursos naturais e obtenção do
silício metálico.
Dentro do âmbito do programa QITS,
muitas frentes multi-temáticas de trabalho ainda
teriam que ser desenvolvidas, sendo de importância
fundamental a participação efetiva de empresas e
governos em conjunto com um “networking” de
instituições de pesquisa e Universidades. O Brasil
reúne as principais condições para destacar-se
internacionalmente como o principal supridor de
silício e tecnologias relacionadas com a fotoconversão de energia solar.
PALAVRAS CHAVES:
Energia solar, silício metálico, quartzo, carvão
vegetal, bagaço de cana-de-açúcar.
[6] G. Pauli, Upsizing. The Road to Zero
Emissions. More Jobs, More Income and no
Pollution, Greenleaf Publishing, 1998.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o suporte financeiro
da FAPESP, FINEP/PADCT III, CNPq/RHAE,
CNPq, e CAPES.
REFERÊNCIAS
[1] M. Nakayama, Present and future demand of
silicon metal, 2nd International Workshop on QITS:
Sustainability and the Ascent of High Tech Siliconbased Industries, The United Nations University,
Institute of Advanced Studies, Tokyo, 1998.
Unpublished.
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[5] E. Williams, Industrial Trade Systems and
Life Cycle Assessment, Advanced Perspectives,
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[7] J. Zandersons, A. Kokorevics, and J. Gravitis,
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reduction of the ash content in charcoal, and
preliminary material and energy estimations for
the design of a pilot plant of bagasse charcoal,
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[8] J. Zandersons, A. Kokorevics, J. Gravitis, U.
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Metallurgy
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International Workshop on Energy Studies,
Supplies, Constraints, and Strategies, Porto Venere,
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