PLANTA DE PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO SOLAR Departamento de Ingeniería Química y Textil Universidad de Salamanca EDGAR MARTÍN HERNÁNDEZ

OBJETIVO Y JUSTIFICACIÓN Producción de silicio de grado solar (99,9999% de pureza) para su empleo con fines fotovoltaicos. JUSTIFICACIÓN La demanda energética global experimenta un crecimiento continuo que suscita un interés creciente por encontrar fuentes de energía alternativas y renovables.

ESTUDIOS PREVIOS NECESARIOS VIABILIDAD TECNOLÓGICA ESTUDIO DE MERCADO Proceso a emplear Viabilidad económica del proyecto TAMAÑO DE PROYECTO LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA Capacidad de la planta Ubicación de la instalación

VIABILIDAD TECNOLÓGICA CADENA DE VALOR DEL SILICIO EN LA INDUSTRIA FV Cuarzo Silicio de grado metalúrgico Silicio de grado solar (polisilicio) Oblea (wafer) Célula fotovoltaica Módulo fotovoltaico ETAPAS DEL PROCESO Producción de silicio de grado metalúrgico (98,5% de pureza) Producción de silicio de grado solar (99,9999% de pureza)

VIABILIDAD TECNOLÓGICA PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO METALÚRGICO (MG-Si) Materias primas: Cuarzo Agente reductor Electrodos de carbono Carbón siderúrgico Carbón vegetal Virutas de madera + Aire 𝑆𝑖𝑂 2 𝑠 +2 𝐶 𝑠 →𝑆𝑖+2𝐶𝑂

VIABILIDAD TECNOLÓGICA PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO METALÚRGICO (MG-Si) Horno de arco eléctrico Productos: Corriente líquida: Silicio de grado metalúrgico (pureza 98,5%) Corriente gaseosa: Microsílice (sílice < 1 μm) Dióxido de carbono

VIABILIDAD TECNOLÓGICA PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO METALÚRGICO (MG-Si) Tratamiento de los productos Corriente gaseosa Subproducto valioso Recuperación microsílice Tratamiento de gases Ciclones o filtros (Microsílice y CO2) Corriente líquida Refinado (formación de escorias) Solidificación (MG-Si)

VIABILIDAD TECNOLÓGICA PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO SOLAR (SG-Si) Existen tres rutas: PROCESO SIEMENS: PROCESO UNION CARBIDE: RUTA METALÚRGICA: Proceso más empleado Basado en la deposición de SiHCl3 en reactor Siemens Alto consumo energético Proceso discontinuo Eliminación de impurezas por etapas Bajo coste Altos niveles de impurezas Actualmente no adecuado para fines FV Basado en la deposición de SiH4 en FBR Menor consumo energético Proceso contínuo Algunas etapas intermedias encarecen el proceso

VIABILIDAD TECNOLÓGICA Producción de MG-Si por ruta convencional SELECCIÓN DE PROCESO Producción de SiHCl3 según proceso Siemens Aunar ventajas del proceso Siemens y del proceso Union Carbide Producción de SiH4 a partir SiHCl3 por reacciones de desproporcionamiento Obtención de Si en FBR según proceso Union Carbide

VIABILIDAD TECNOLÓGICA SELECCIÓN DE PROCESO Proceso más sencillo Mayor rendimiento en la generación de SiHCl3 Facil purificación de SiHCl3 Producción de SiHCl3 según proceso Siemens Obtención de Si en FBR según proceso Union Carbide Menor gasto energético Proceso contínuo

PRINCIPALES MATERIAS PRIMAS ESTUDIO DE MERCADO PRINCIPALES MATERIAS PRIMAS Cuarzo: Abundante en España Carbón: Necesidad de importación debido a su calidad

CAPACIDAD FV INSTALADA EN EUROPA ESTUDIO DE MERCADO CAPACIDAD FV INSTALADA EN EUROPA

SILICIO DE GRADO SOLAR ESTUDIO DE MERCADO Crecimiento sostenido del mercado europeo Países con gran potencial aun no explotado con perspectivas de aumentar su capacidad

ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA FUTURA ESTUDIO DE MERCADO ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA FUTURA Proyección de la demanda histórica Método econométrico

ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA FUTURA ESTUDIO DE MERCADO ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA FUTURA Resultados obtenidos   Proyección de la demanda histórica Método econométrico Consumo aparente en 2016 (tm) 12.692,04 13.639,46 Consumo aparente en 2036 (tm) 82.779,24 93.680,16 Se tomará el resultado más conservador de los dos: Consumo aparente de polisilicio en 2016 de 12.692,04 tm Consumo aparente de polisilicio en 2036 de 82.779,24 tm

CAPACIDAD MÁXIMA DE LA PLANTA ESTUDIO DE MERCADO CAPACIDAD MÁXIMA DE LA PLANTA La nueva planta podrá cubrir alrededor de un 3% de las necesidades de europeas de polisilicio en el año 2036 Capacidad máxima = 2.500 tmSG-Si/año

TAMAÑO DE PROYECTO PUNTO DE NIVELACIÓN Capacidad mínima= 1.300 tmSG-Si/año (52% de la capacidad máxima)

INGENIERÍA DE PROCESO DIAGRAMA DE PROCESO

PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO METALÚRGICO INGENIERÍA DE PROCESO PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO METALÚRGICO Obtención de MG-Si: 𝑆𝑖𝑂 2 𝑠 +2𝐶 𝑠 → 𝑆𝑖 𝑙 +2𝐶𝑂(𝑔 Obtención de microsílice: 𝑆𝑖 𝑙 + 1 2 𝑂 2 (𝑔) → 𝑆𝑖𝑂(𝑔) 𝑆𝑖𝑂 𝑔 + 1 2 𝑂 2 (𝑔) → 𝑆𝑖𝑂 2 (𝑠) Obtención de escorias: 𝑆𝑖𝑂 2 +𝐶 → 𝑆𝑖𝑂+𝐶𝑂 𝑆𝑖𝑂 2 +3𝐶 → 𝑆𝑖𝐶+2𝐶𝑂

OBTENCIÓN Y PURIFICACIÓN DE SiHCl3 INGENIERÍA DE PROCESO OBTENCIÓN Y PURIFICACIÓN DE SiHCl3 Obtención de SiHCl3: 𝑆𝑖 𝑠 +3 𝐻𝐶𝑙 → 𝑆𝑖𝐻𝐶𝑙 3 + 𝐻 2 Obtención de SiCl4 (reacción secundaria): 𝑆𝑖 𝑠 +4 𝐻𝐶𝑙 → 𝑆𝑖𝐶𝑙 4 +2 𝐻 2 Impurezas metálicas forman compuestos clorados

OBTENCIÓN DE SiH4 Y DEPOSICIÓN DE SG-Si INGENIERÍA DE PROCESO OBTENCIÓN DE SiH4 Y DEPOSICIÓN DE SG-Si Obtención de SiH4: 2 𝑆𝑖𝐻𝐶𝑙 3 ↔ 𝑆𝑖𝐻 2 𝐶𝑙 2 + 𝑆𝑖𝐶𝑙 4 2 𝑆𝑖𝐻 2 𝐶𝑙 2 ↔ 𝑆𝑖𝐻 𝐶𝑙 3 + 𝑆𝑖𝐻 3 𝐶𝑙 2𝑆𝑖𝐻 3 𝐶𝑙 ↔ 𝑆𝑖𝐻 2 𝐶𝑙 2 + 𝑆𝑖𝐻 4 Descomposición de SiH4: 𝑆𝑖𝐻 4 →𝑆𝑖+2 𝐻 2

DISEÑO DEL REACTOR DE DEPOSICIÓN DE LECHO FLUIDIZADO Reacciones: 𝑆𝑖 𝐻 4 𝑘 ℎ𝑒𝑡 𝑆𝑖+2 𝐻 2 𝑟 ℎ𝑒𝑡 = 𝑑 𝐶 𝑆𝑖 𝐻 4 𝑑𝑡 =− 𝑘 ℎ𝑒𝑡 𝑆 𝑆𝑖 𝑉 𝑅 𝐶 𝑆𝑖 𝐻 4 𝑆𝑖 𝐻 4 𝑘 ℎ𝑜𝑚 𝑆𝑖+2 𝐻 2 𝑟 ℎ𝑜𝑚 = 𝑑 𝐶 𝑆𝑖 𝐻 4 𝑑𝑡 =− 𝑘 ℎ𝑜𝑚 𝐶 𝑆𝑖 𝐻 4

DISEÑO DEL REACTOR DE DEPOSICIÓN DE LECHO FLUIDIZADO Algoritmo propuesto por Fogler:

DISEÑO DEL REACTOR DE DEPOSICIÓN DE LECHO FLUIDIZADO Consideraciones al algoritmo propuesto por Fogler: Modelo de Kunii-Levenspiel para sólidos tipo Geldart B Existencia de dos fases: burbuja y emulsión Existencia de dos reacciones simultáneas Implementación del algoritmo: Python Numpy Scipy Matplotlib

DISEÑO DEL REACTOR DE DEPOSICIÓN DE LECHO FLUIDIZADO Dimensiones: 𝐿 𝑓 =14,023 𝑚 𝐻=16,126 𝑚 𝐷=1,968 𝑚 𝑡 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 =12,23 𝑚𝑚 Sistema de control de temperatura:

LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA LOCALIZACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS Ubicación preliminar: A Coruña, Galicia Cercanía de materias primas Puerto marítimo Presencia de industrias similares (metalurgia del aluminio)

LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA UBICACIÓN DE LA INSTALACIÓN Suministro de agua Transporte por carretera y ferrocarril Gestión de residuos Presencia de otras industrias Ubicación en un polígono industrial Apartado ferroviario propio (200 vagones) Depuradora propia Red de suministro de agua Polígono industrial de Pocomaco Polígono de Pocomaco AV 3 1 93.012 m2 de extensión

LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA UBICACIÓN DE LA INSTALACIÓN

DISTRIBUCIÓN EN PLANTA DISTRIBUCIÓN DE LA PARCELA Zona A: alberga al edificio principal y a la sala de control Zona B: zona de proceso Zona C: zona de almacenamiento de materias primas y productos

DISTRIBUCIÓN EN PLANTA DISTRIBUCIÓN LABORAL Numero de empleados: 159 Técnicos y personal directivo: 10 Personal especializado: 38 Personal administrativo: 7 Operarios: 85 Personal de servicio: 19

Ingresos por ventas: 50.107.500 €/año EVALUACIÓN ECONÓMICA Ingresos por ventas: 50.107.500 €/año Costes de producción: 27.233.496,52 €/año Capital invertido: 80.296.257,89 €/año Costes de fabricación: 23.295.482,55 €/año Costes de gestión: 3.938.013,97 €/año Capital inmovilizado: 75.479.101,82 €/año Capital circulante: 4.817.156,07 €/año

RENTABILIDAD DEL PROCESO EVALUACIÓN ECONÓMICA RENTABILIDAD DEL PROCESO Beneficio bruto anual: 22.874.003,48 € Beneficio bruto porcentual anual: 28,49% Beneficio neto anual: 16.011.802,44 € Beneficio neto porcentual anual: 19,94% Periodo de recuperación: 3,22 años

PRESUPUESTO PRESUPUESTO Presupuesto de ejecución material (PEM): 39.536.672,38 € Presupuesto de ejecución por contrata (PEC): 58.842.429,50 € Presupuesto total de obra (PTO): 62.961.399,57 €

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

PLANTA DE PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO SOLAR Departamento de Ingeniería Química y Textil Universidad de Salamanca EDGAR MARTÍN HERNÁNDEZ