¿Por qué Ohio es líder en energía solar de telururo de cadmio?

Una tecnología de energía solar que alguna vez fue novedosa con raíces en Ohio está teniendo un momento bajo el sol, junto con dos fabricantes del área de Toledo.

Los científicos habían experimentado con paneles solares de telururo de cadmio en el laboratorio desde la década de 1950, pero la tecnología se comercializó hace solo dos décadas después de un importante trabajo preliminar realizado por un par de empresarios de Ohio que fundaron lo que eventualmente se convertiría en First Solar.

Después de años de luchar por un nicho junto a las células solares de silicio cristalino más baratas y eficientes, el telururo de cadmio recientemente cerró la brecha en el costo y la producción de energía. Los paneles de telururo de cadmio tienen la mayor participación de mercado mundial entre las tecnologías solares de película delgada, que utilizan capas muy delgadas de material semiconductor, en comparación con el silicio cristalino rígido más grueso.

Además de los avances tecnológicos, el sector está preparado para beneficiarse de la política actual de la cadena de suministro y de la nueva legislación federal sobre el cambio climático que incentiva la fabricación nacional.

Esas tendencias están impulsando un auge de la fabricación solar en Ohio, donde, a pesar de las políticas estatales y locales hostiles contra las granjas solares, dos fabricantes de telururo de cadmio han anunciado importantes expansiones que prometen crear cientos de puestos de trabajo en los próximos años.

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First Solar planea abrir su tercera fábrica de Ohio a finales de este año en Lake Township. Esa planta de 3,3 gigavatios será seguida por una instalación de investigación y desarrollo de 1,3 millones de pies cuadrados en Perrysburg, cuya apertura está programada para el próximo año. Los planes prevén la apertura de una cuarta fábrica en EE. UU. en Alabama en 2025, lo que elevará la capacidad de producción total de la compañía en EE. UU. a aproximadamente 10 GW.

Por su parte, Toledo Solar, cuyos paneles se destinan principalmente a usuarios comerciales y residenciales, triplicará este año su capacidad de producción de 100 a 300 megavatios. Aunque la compañía es mucho más pequeña que First Solar, que apunta al mercado de servicios públicos, "eso es un gran problema para nosotros", dijo el director ejecutivo Aaron Bates.

"El área de Toledo, con sus profundos vínculos con la industria del vidrio, fue una incubadora natural en los primeros años de nuestro negocio", dijo Kuntal Kumar Verma, director de fabricación de First Solar. Más de 20 años después, el noroeste de Ohio "es el hogar de un grupo de conocimientos de fabricación solar de película delgada que quizás no tenga paralelo en ninguna parte del mundo".

La historia del origen del sector solar de telururo de cadmio en Ohio comienza con dos superhéroes de la industria del vidrio.

Harold McMaster creció como granjero en el noroeste de Ohio, y Norman Nitschke pasó su niñez en East Toledo. Los dos fueron pioneros en la fabricación y el uso de vidrio templado, el material que se usa en los parabrisas de los automóviles para que no se rompa en fragmentos irregulares. Se convirtieron en cofundadores de varias empresas, incluida Glasstech.

McMaster y Nitschke luego comenzaron a trabajar en energía solar a través de Glasstech Solar. Ese trabajo condujo a Solar Cells, Inc. Bajo el liderazgo de McMaster, la empresa desarrolló el proceso básico de deposición de vapor para sus células solares de telururo de cadmio en 1997.

El proceso utiliza gas caliente para cristalizar una capa de telururo de cadmio cuyo espesor mide aproximadamente el 3% de un cabello humano. Esa capa, el vidrio y otros materiales forman el "sándwich" del panel solar. La producción lleva menos tiempo que la de los paneles de silicio cristalino, que representan la mayoría de los paneles solares utilizados en todo el mundo.

Después de la venta de una participación mayoritaria en la empresa a una empresa de inversión con sede en Arizona, Solar Cells, Inc. se convirtió en First Solar en 1999 y abrió su primera planta de fabricación en Perrysburg.

Sin embargo, pasaron años antes de que la eficiencia de las células mejorara lo suficiente como para volverse competitivas. En 2016, First Solar logró una eficiencia de conversión de energía del 22 % en el laboratorio. Un estudio de 2019 realizado por científicos de la empresa e investigación en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable perfeccionó ese trabajo, reduciendo el riesgo de inestabilidades que podrían disminuir la eficiencia.

Toledo Solar eligió el área de Toledo cuando se puso en marcha en 2019, para poder capitalizar la base de conocimiento construida por First Solar y las universidades cercanas. Comenzar en otro lugar habría sido "un gran impulso y sería muy costoso", dijo Bates.

Ahora, la energía solar de telururo de cadmio es una tecnología comprobada y es competitiva con el silicio cristalino, dijo la científica Lorelle Mansfield del Laboratorio Nacional de Energía Renovable. "Está en el campo. Es a escala de servicios públicos. Está ahí afuera y está funcionando bien", dijo.

El sector de telururo de cadmio actualmente suministra aproximadamente el 40% del mercado de servicios públicos de EE. UU. y alrededor del 5% del mercado mundial, según el Consorcio de fabricación de fotovoltaicos avanzados de telururo de cadmio de EE. UU., o US-MAC. Los miembros incluyen varias empresas, universidades y el Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

Un informe de Estimaciones del mercado global publicado en enero proyectó que el mercado global de telururo de cadmio crecería a una tasa anual compuesta del 12,5 % de 2023 a 2028 a medida que continúa la transición energética.

Aunque First Solar y Toledo Solar no compiten entre sí, ellas y otras empresas de telururo de cadmio en el mercado mundial sí compiten con el silicio cristalino.

A fines de 2020, First Solar informó una tasa de eficiencia promedio del 18 % para sus módulos comerciales. Eso está en el extremo inferior del rango de 18% a 22% que el Departamento de Energía ha informado para los paneles solares cristalinos.

Sin embargo, el telururo de cadmio puede "brindar hasta un 4 % más de energía en climas cálidos y hasta un 4 % más de energía en condiciones de alta humedad", señaló Verma. La eficiencia teórica de los paneles de telururo de cadmio también es mayor: más del 30 %. Eso se debe a que la capa de semiconductores puede responder a una gama más amplia de energía luminosa, dijo Bates.

Los paneles de telururo de cadmio también ofrecen ahorros en los costos de producción porque requieren menos materiales, menos energía y menos agua. La investigación de NREL confirmó el año pasado que son menos intensivos en carbono que la energía solar cristalina.

Mansfield señaló una gran ventaja adicional que tiene el sector del telururo de cadmio en este momento: "Es una tecnología de película delgada que se fabrica en los EE. UU."

"Hay muchas ventajas en eso", dijo Jane Harf, directora ejecutiva de Green Energy Ohio. Las empresas son menos vulnerables a las interrupciones de la cadena de suministro en el extranjero.

Incluso antes de la pandemia de Covid-19, las empresas estadounidenses del sector del silicio cristalino enfrentaban problemas en la cadena de suministro debido al dominio mundial de China en la fabricación de los semiconductores que utilizan. La violación de las normas antidumping por parte del país desencadenó aranceles restrictivos durante la administración Trump. El Instituto Breakthrough y otros también han criticado a China por utilizar el trabajo forzoso y otras prácticas laborales injustas.

En junio pasado, el presidente Joe Biden anunció una suspensión de 24 meses de ciertos aranceles de importación de módulos y células solares provenientes de Malasia, Camboya, Tailandia y Vietnam. El objetivo era abastecer el mercado solar de EE. UU. hasta que la producción nacional de semiconductores de silicio cristalino pueda aumentar.

Un hallazgo preliminar del Departamento de Comercio en diciembre encontró cierta elusión de las restricciones comerciales en los cuatro países del sudeste asiático. Básicamente, las empresas enviaban productos chinos a los EE. UU. después de un procesamiento adicional menor. Eso sugiere que las importaciones para el sector del silicio cristalino podrían volverse más desafiantes después de junio de 2024, aunque la Ley CHIPS federal de 2022 tiene como objetivo aumentar la producción nacional de semiconductores.

Por ahora, la producción totalmente doméstica significa que Toledo Solar es la única empresa en el mercado solar de techo que puede calificar para el crédito fiscal total del 40% en virtud de la Ley de Reducción de la Inflación, dijo Bates.

El sector del telururo de cadmio no es inmune a posibles problemas en la cadena de suministro. Sin embargo, dijo Mansfield, la cantidad de materiales semiconductores necesarios por panel es pequeña. Y mejores formas de refinar las materias primas podrían maximizar su suministro, agregó.

"Básicamente estamos tomando dos subproductos de los flujos de desechos mineros, cadmio y telurio, y combinándolos en un compuesto estable", dijo Verma. Al final de su vida útil, más del 90% de los materiales de los módulos se pueden recuperar.

First Solar espera que su planta de Lake Township proporcione 700 puestos de trabajo además de los 1600 puestos de trabajo en sus instalaciones existentes en Ohio. Los planes exigen que la instalación de investigación y desarrollo cree otros 200 puestos de trabajo. Toledo Solar prevé que creará más de 250 nuevos puestos de trabajo para 2027.

El crecimiento de las dos empresas también atrae a otras empresas a Ohio. NSG Pilkington abrió una nueva línea de vidrio flotado en Luckey en 2020, creando alrededor de 150 nuevos puestos de trabajo

Y Ice Industries anunció el año pasado que construirá una planta de 150,000 pies cuadrados en Bowling Green para fabricar rieles traseros de acero para paneles solares, lo que generará alrededor de 120 nuevos puestos de trabajo.

El consorcio US-MAC espera abordar los desafíos actuales. Todavía hay mucho espacio para mejorar la eficiencia de los paneles de telururo de cadmio hasta su límite teórico, dijo Mansfield. También se pueden mejorar otros elementos de los paneles.

El sector puede enfrentarse a una mayor competencia del mercado de silicio cristalino a medida que aumenta la producción nacional de semiconductores o debido a otros avances. Otras tecnologías de película delgada también podrían presentar competencia. Los investigadores también están trabajando en células solares con capas de semiconductores apiladas que responden a diferentes anchos de banda de energía, dijo Mansfield.

Luego están las células solares de perovskita, que se pueden imprimir o pintar sobre superficies. Un estudio del 16 de febrero en la revista Science informó que las células solares de perovskita con un poco de un compuesto agregado, llamado DPPP, mantuvieron una eficiencia del 23 % en el transcurso de dos meses hasta que finalizó el período de estudio.

Aunque quedan múltiples desafíos, "las células solares de perovskita pueden comenzar a llegar al mercado en unos pocos años", dijo el coautor del estudio, Yanfa Yan, de la Universidad de Toledo.

La política también podría afectar la cantidad de crecimiento futuro en el sector de telururo de cadmio que permanece en Ohio.

La energía solar "todavía es un tema político. Y para mí, no debería serlo", dijo Bates. “Es un tema económico”. En su opinión, los legisladores estatales deberían apreciar y apoyar el papel de liderazgo de Ohio en la fabricación de paneles solares.

"Este es el centro del hemisferio occidental, punto final, para la energía solar", dijo Bates.

Kathi es autora de 25 libros y más de 600 artículos, y escribe a menudo sobre temas científicos y políticos. Además de su carrera periodística, Kathi es exalumna de la Facultad de Derecho de Harvard y ha ejercido la abogacía durante 15 años. Es miembro de la Sociedad de Periodistas Ambientales y de la Asociación Nacional de Escritores Científicos. Kathi cubre el estado de Ohio.