ENERGIA SOLAR E PRODUÇÃO DE SILÍCIO METÁLICO BASEADO NO PROGRAMA QITS ( QUARTZ INDUSTRIAL TRADE SYSTEM )

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1 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 Campinas, SP Tel: (019) , Fax: (019) José Tomaz V. Pereira UNICAMP, Faculdade de Engenharia Mecânica, Departamento de Energia Campinas, SP, Brasil, Tel: (019) 788-xxxx, Fax: (019) 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 CO 2) 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.

2 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: SiO 2 + 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 CO 2 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 CO 2 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 CO 2, 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

3 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

4 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 0,5000 0,4000 0,3000 0,2000 0,1000 0,0000 Carvão Vegetal Bagaço 1 Bagaço 2 Na2O MgO Al2O3 P2O5 SO3 Cl K2O CaO TiO2 MnO Fe2O3 NiO ZnO 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 SiO 2 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 SiO 2 0,0037 1,52 1, Lascas de Quartzo In-Natura Tratado ND ND 0 Na K Mg Ca Mn Fe Al Fig. 2. Efeito do processo de purificação dos rejeitos de quartzo [9].

5 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]. Si Fe Ca Al Ti Cr Mn Ni Sr #1 98,201 0,742 0,820 0,152 0,052 0,001 0,014 0,015 0,003 #2 98,822 0,945 0,103 0,051 0,045 0,001 0,014 0,017 0,002 #3 97,866 1,745 0,182 0,078 0,077 0,002 0,023 0,026 0,002 #4 98,393 1,287 0,150 0,066 0,061 0,001 0,018 0,021 0,002 #5 98,950 0,814 0,108 0,049 0,047 0,001 0,013 0,016 0,002 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 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:

6 Energia solar, silício metálico, quartzo, carvão vegetal, bagaço de cana-de-açúcar. 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, 2 nd International Workshop on QITS: Sustainability and the Ascent of High Tech Siliconbased Industries, The United Nations University, Institute of Advanced Studies, Tokyo, Unpublished. [2] J. Gravitis, C.K. Suzuki, J.T.V. Pereira, R.C. Morales, J. Zandersons, A. Kokorevics, and O. Bikovens, Energy and materials supply toward Zero Emissions. Part 1: A case of the QITS (Quartz Industrial Trade System) Program, Proceed. of the 2 nd International Workshop on Advances in Energy Studies, Supplies, Constraints and Strategies, Porto Venere, May, 2000, (in Press). [3] T.G. Della Senta, Introduction to QITS, Proceed. of the First Workshop on QITS: Materials Life-cycle and Sustainable Development, Published by the The United Nations University, Institute of Advanced Studies, Tokyo, October, 1998, pp [4] C.K. Suzuki, QITS project: a new model of sustainable development applied to mineral processing, Environmental Improvements in Mineral Processing and Extractive Metallurgy (M.A. Sanchez, F. Vergara, and S.H. Castro, Eds.) University of Conception, 2000, (in Press). [5] E. Williams, Industrial Trade Systems and Life Cycle Assessment, Advanced Perspectives, No. 3, 1999, pp [6] G. Pauli, Upsizing. The Road to Zero Emissions. More Jobs, More Income and no Pollution, Greenleaf Publishing, [7] J. Zandersons, A. Kokorevics, and J. Gravitis, Studies of bagasse charcoal briquetting, reduction of the ash content in charcoal, and preliminary material and energy estimations for the design of a pilot plant of bagasse charcoal, UNU/IAS Working Paper, No. 58, 1999, pp [8] J. Zandersons, A. Kokorevics, J. Gravitis, U. Kallavus, and C.K. Suzuki, Studies of the Modified bagasse plastics carbonisation and a feasibility to produce carbon construction materials, UNU/IAS Working Paper, No. 75, 2000, pp [9] R. Cuevas, D. Torikai, E. Gusken, and C.K. Suzuki, Utilization of quartz lascas residue from silicon industry using clean processing with Zero Emission target, Envionmental Improvements in Mineral Processing and Extractive Metallurgy (M.A.Sanchez, F.Vergara and S.H.Castro, Eds.) University of Conception, 2000, (in Press). [10] R.C. Morales, Caracterização estrutural e composicional do carvão vegetal derivado de madeira e bagaço de cana-de-açúcar, Tese de Mestrado, UNICAMP, Faculdade de Engenharia Mecânica, 1999, pp [11] P.H. Godoy, R.C. Morales, W. Mendes, C.K. Suzuki, and R.N. Szente, Recycling of silicon slag using plasma technology, Environmental Improvements in Mineral Processing and Extractive Metallurgy (M.A.Sanchez, F.Vergara and S.H.Castro, Eds.) University of Conception, 2000, (in Press). [12] J.T.V. Pereira, C.K. Suzuki and J. Gravitis, Future energy and materials supply perspectives towards Zero Emission. Part 2. Energy analysis from quartz to solar cells, Proceed. Of the 2 nd International Workshop on Energy Studies, Supplies, Constraints, and Strategies, Porto Venere, Italy, May, 2000, (in Press).