O local de 220 hectares produz polissilício, um material chave usado para fazer painéis solares e chips de computador. Dois sistemas de destilação cobertos por tubos com comprimento de campos de futebol se elevam sobre a Segunda Avenida, enquanto os reatores usados para fazer polissilício ocupam um quarteirão inteiro entre a Rua C e a Rua D.
O líder do site, Ken Collins, afirmou que a Wacker já investiu quase US$ 3 bilhões na planta, e o site ainda está crescendo.
A Wacker está gastando US$ 200 milhões para adicionar a produção de polímeros de silicone. Segundo Collins, a propriedade também está projetada para permitir a expansão do polissilício. A Wacker não anunciou planos específicos para uma nova infraestrutura de polissilício, mas os governos nacionais e a indústria solar estão pressionando-a para aumentar a produção em lugares como o Tennessee.
A maior parte do polissilício do mundo é feita na China, e a indústria solar dos EUA está incentivando os fornecedores a aumentar a produção em outros lugares. As empresas de energia solar argumentam que uma cadeia de suprimentos menos concentrada será mais resiliente, emitirá menos carbono e contornará empresas acusadas de usar trabalho forçado na Região Autônoma Uigur de Xinjiang, na China. Os governos dos EUA e da Índia recentemente deram impulso a esse esforço, prometendo bilhões de dólares para ampliar a fabricação doméstica de energia solar e garantir o acesso futuro à energia limpa.
Algumas empresas já estão respondendo. A Reliance Energy afirmou que gastará US$ 7,5 bilhões em um centro de fabricação de energia verde na Índia que incluirá a produção de polissilício. As outras duas empresas que fabricam polissilício nos EUA – Hemlock Semiconductor e REC Silicon – também estão aumentando sua produção. A Hemlock ativou a capacidade ociosa para polissilício de grau solar em sua fábrica em Michigan neste verão, e a REC Silicon planeja reabrir uma instalação de polissilício em Washington. “Os produtores não querem depender de fontes instáveis”, disse o CEO da REC Silicon, James May.
Mesmo com todo esse impulso, desafiar a proeminência da China na fabricação de energia solar não será fácil. Além de sua enorme capacidade de polissilício, as empresas chinesas controlam as etapas subsequentes da cadeia de suprimentos: a produção de lingotes e wafers de silício, células solares e painéis solares finais. Especialistas em cadeia de suprimentos alegam que outros países também deverão aumentar a capacidade nessas partes da cadeia de suprimentos se quiserem diminuir o risco de interrupções. E os fabricantes de polissilício fora da China precisam provar que podem competir com rivais na China, os quais têm acesso a amplo apoio do governo.
A Associação das Indústrias de Energia Solar (SEIA), um grupo do setor, argumenta que os incentivos da Lei de Redução da Inflação, recentemente aprovada, darão início à produção solar dos EUA, tornando-a competitiva com a China. Nos próximos 8 anos, a SEIA espera que as empresas construam fábricas nos EUA capazes de produzir 50 GW de painéis solares por ano, quase o suficiente para abastecer todas as casas no Texas.
“Talvez metade disso cruze a linha de chegada. Ainda há muita demanda por polissilício. Muito mais do que os três produtores nos EUA fazem hoje”, disse Collins.
O PROCESSO
O polissilício está no coração de um painel solar. Pequenas quantidades de outros elementos são adicionadas ao polissilício para que um lado do material tenha elétrons extras. Quando a luz solar atinge uma célula solar, ela desloca esses elétrons extras, os quais fluem para o lado oposto da célula, que possui moléculas capazes de aceitá-los. Desta forma, o fluxo de elétrons cria uma corrente elétrica.
O processo de fabricação do polissilício começa nas minas que extraem o quartzito, que é essencialmente brita com altos teores de dióxido de silício e baixos teores de impurezas como o ferro. Muitas dessas minas estão na China, mas as reservas de quartzito são abundantes no Brasil, Noruega e Estados Unidos. O cascalho é derretido em um forno com uma fonte de carbono, geralmente carvão, para produzir silício metálico, rochas cinza-prateada que são pelo menos 98% de silício.
Empresas como a Wacker usam o processo da Siemens para remover as impurezas restantes. O polissilício resultante é uma forma cristalizada de silício que precisa ser pelo menos 99,9999% puro para aplicações solares – e ainda mais puro para chips de computador.
Na primeira etapa na planta do Tennessee, o silício metálico é triturado em pó e combinado com cloreto de hidrogênio em altas temperaturas para formar triclorossilano líquido. A Wacker destila o líquido em colunas espiraladas de vários andares para aumentar a pureza. “É muito semelhante ao que você faz com um bourbon”, afirmou Collins.
O triclorossilano purificado é convertido em gás e bombeado para câmaras em forma de ferradura, as quais contêm um filamento de polissilício com o diâmetro de um lápis. Algumas empresas usam gás silano em vez disso. A eletricidade percorre o filamento, iluminando-o e aumentando sua temperatura para 1.000 °C. Nessas altas temperaturas, o silício do triclorossilano deposita-se lentamente no filamento, transformando-o gradualmente em uma haste grossa. Como etapa final, a haste é quebrada em pedaços.
Algumas empresas, como a REC Silicon, usam um método um pouco diferente, chamado processo de reator de leito fluidizado (FBR). Segundo a REC Silicon, o processo FBR usa menos energia. As empresas que usam o processo da Siemens precisam usar muita energia para aquecer o filamento, mas também precisam usar energia adicional para resfriar as paredes da câmara de reação para que o silício não se deposite ali.
No início, o processo FBR é semelhante ao processo Siemens, com conversão de silício metálico em silano. No entanto, o gás flui por meio de uma coluna semeada com pequenas esferas de polissilício em vez de uma câmara com um filamento.
Grânulos do processo FBR ou pedaços do processo Siemens são vendidos para empresas que os transformam em lingotes em formato de cubos, os quais são serrados em wafers finos como papel. As pastilhas são texturizadas e tratadas com outros elementos para transformá-las em células solares individuais. Várias células são soldadas e prensadas entre um painel de vidro e uma folha traseira de plástico para formar painéis solares.
TERCEIRIZAÇÃO
É um processo complexo e a China domina quase todas as suas etapas. O país produz mais de três quartos do polissilício do mundo, segundo dados compilados pelo consultor de polissilício, Johannes Bernreuter. Um relatório da Agência Internacional de Energia (AIE) estima que a China também fabrica mais de 80% de todas as células solares e painéis solares montados. O país produz praticamente todos os wafers usados para painéis solares.
Nem sempre foi assim. Em 2010, a produção de polissilício foi dividida quase igualmente entre os EUA, Europa, Coreia do Sul, Japão e China. Em 2014, os EUA tinham quase uma dúzia de fábricas produzindo lingotes e wafers, segundo dados da SEIA. Hoje, não há nenhuma. A AIE estima que as empresas na China investiram mais de US$ 40 bilhões em fabricação de energia solar desde 2014, 15 vezes o que as empresas da América do Norte investiram.
De acordo com Bernreuter, o governo chinês alimentou o crescimento da indústria solar do país oferecendo empréstimos favoráveis, terrenos acessíveis e eletricidade barata. “A China reconheceu desde o início que a energia solar será um grande mercado e apostou estrategicamente nesse setor”, disse ele.
Os produtores de polissilício dos EUA também sofreram um golpe em 2014, quando a China impôs uma tarifa de importação, cortando as instalações dos EUA de alguns de seus clientes mais importantes.
A Hemlock e a Wacker estavam construindo fábricas de polissilício no Tennessee quando as tarifas entraram em vigor. A Hemlock abandonou seu projeto de US$ 1 bilhão em Clarksville em 2014, quando estava prestes a começá-lo. A Wacker originalmente pretendia se concentrar no mercado solar, mas mudou a produção para silício de grau semicondutor quando sua planta entrou em operação em 2016. Em 2019, as tarifas forçaram a REC Silicon a desativar sua planta de polissilício de US$ 1,7 bilhão em Moses Lake, Washington.
Heymi Bahar, analista da IEA que dirigiu o relatório da organização, afirmouque o investimento da China ajudou a diminuir o preço dos painéis solares, mas também concentrou muita produção em um só lugar.
O relatório observa que uma única fábrica na China produz 14% do polissilício do mundo. Em 2020, uma explosão em uma fábrica operada pela GCL-Tech da China interrompeu temporariamente um décimo da capacidade de produção mundial, de acordo com um relatório do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA. “Se houver uma interrupção na cadeia de suprimentos, o mundo inteiro será afetado”, disse Bahar.
XINJIANG
Como a China obtém grande parte de sua eletricidade de usinas a carvão, fabricar polissilício e outros materiais solares fora da China também reduziria a pegada de carbono do setor, argumentam algumas empresas e pesquisadores de sustentabilidade.
Michael Parr, diretor executivo da Ultra Low-Carbon Solar Alliance, um grupo da indústria, informou que o calor usado para depositar o silício do triclorossilano na haste requer enormes quantidades de energia, então a produção geralmente fica localizada em locais nos quais a eletricidade é barata.
“Isso significa o oeste da China, em Xinjiang e, cada vez mais, a Mongólia Interior, onde a rede é quase inteiramente baseada em carvão”, afirmou Parr. Ele estima que o polissilício fabricado na China é três vezes mais intensivo em carbono do que o polissilício de outros países, em grande parte devido à dependência do carvão da rede elétrica chinesa. A IEA relatou que mesmo os painéis solares mais intensivos em carbono compensam todas as suas emissões relacionadas à fabricação em menos de um ano, gerando eletricidade sem carbono, mas Parr ainda quer ver a produção mudar para lugares que tenham acesso a redes elétricas mais limpas. Segundo ele, a energia barata de usinas hidrelétricas funciona especialmente bem para a produção de polissilício.
Fonte: C&EN
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