OPTIMIZACIÓN DE SEGURIDAD, ECONÓMICA Y AMBIENTAL APLICADA A TRES PROCESOS PARA LA PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO SOLAR

OPTIMIZACIÓN DE SEGURIDAD, ECONÓMICA Y AMBIENTAL APLICADA A TRES PROCESOS PARA LA PRODUCCIÓN DE SILICIO DE GRADO SOLAR

Resumen

La elección del diseño de todo proceso industrial se basa principalmente en cuestiones económicas. Si bien este aspecto es importante, no es el único a considerar. En todo diseño se deben tener en cuenta aspectos como la seguridad y el impacto ambiental. En este trabajo, presentamos la optimización de tres procesos diferentes para obtener silicio de grado solar, incluyendo consideraciones de seguridad, impacto económico y ambiental en la etapa de diseño del proceso. La seguridad está involucrada a través del índice de riesgo individual (IR), la economía con el retorno de la inversión (ROI) y el impacto ambiental con el eco-indicador 99 (EI99). El diseño del Proceso de Siemens resultó ser el que obtuvo los mejores índices de seguridad, rentabilidad y medio ambiente, a pesar de tener la menor producción de silicio solar, siendo cuatro veces menor que el Proceso Híbrido.

Palabras clave: Silicio grado solar, Seguridad inherente, Impacto Ambiental.

Introducción

La producción de silicio grado solar es un paso clave en la industria fotovoltaica. Con el fin de abordar la creciente demanda de materia prima de silicio, se han desarrollado muchas rutas de producción [1].  La producción de silicio grado solar se puede llevar principalmente a través de dos rutas. La primera de ellas es con un enfoque metalúrgico, la cual combina una serie de etapas de refinado, así como una etapa de solidificación [1]. La segunda ruta es la producción de silicio grado solar por métodos químicos, los cuales tienen la ventaja de producir silicio grado solar de mejor calidad [2]. Los principales problemas de las rutas químicas son el alto consumo de energía, conjuntamente con el riesgo de seguridad que presentan los procesos, además del peligro ambiental que implica la producción de clorosilanos. Estos compuestos son corrosivos y tóxicos y por lo tanto presentan problemas de seguridad y ambientales [2].

El entorno de seguridad juega un rol muy importante en este tipo de procesos, puesto que se tienen riesgos muy significativos, tal es el uso de gas silano (SiH4),  el cual torna a ser el peligro más característico en la producción de Si grado solar en el proceso Union Carbide, lo anterior porque es extremadamente explosivo y presenta un peligro potencial para los trabajadores y las comunidades. Se conoce que las liberaciones accidentales de silano explotan espontáneamente, y la industria de los semiconductores informa varios incidentes de silano todos los años [2].

Otras sustancias que representan un riesgo son el tetracloruro de silicio (SiCl4), y el ácido clorhídrico (HCl), ya que son extremadamente tóxicas, corrosivas,  y la primera reacciona violentamente con el agua. No obstante, resultan fácil de recuperar y reutilizar como insumos para la producción de silano; en lugares con poca o ninguna regulación, pueden constituir un peligro de seguridad y ambiental extremo. Washington Post informó en el 2008, la fabricación de silicio se está expandiendo rápidamente en China, pero las instalaciones para reciclar el tetracloruro de silicio y otros productos tóxicos no siguen el ritmo [2].

Por lo anterior que es extremadamente importante el diseño de una planta de producción de silicio grado solar, que además de poder abaratar los costos de producción y aumentar la producción, sean capaces de ser seguros y responsables con el medio ambiente.

El objetivo de este trabajo es la optimización de tres procesos de obtención de silicio grado solar, considerando aspectos de seguridad, rentabilidad y ambientales a fin de cubrir las necesidades industriales actuales. Este procedimiento da lugar a un problema de optimización multiobjetivo, en el que las métricas de seguridad, rentabilidad y ambientales son factores conflictivos que deben minimizarse y maximizarse en el caso de la rentabilidad.

Metodología

Esta sección muestra la metodología de la optimización multiobjetivo de los tres procesos para obtención de silicio grado solar, expuestos en el trabajo de Ramírez-Márquez et al [3].

• Los casos fueron optimizados simultáneamente mediante un algoritmo híbrido llamado Evolución diferencial con Taboo List (DETL). Se tienen tres funciones objetivo, el retorno de inversión (ROI), el impacto ambiental (Eco-indicador 99)  y el riesgo inherente (IR).  Esta metodología de optimización permite incluir funciones objetivo conflictivas entre sí, tratando de obtener diseños más rentables, respetuosos con el medio ambiente y buenos en términos de seguridad. Los índices de optimización se describen a continuación. Para observar el aspecto económico de los tres Retorno de la inversión (ROI).

El uso del retorno de la inversión (ROI) como objetivo económico permite observar el desempeño económico del proceso, ya que muestra los problemas de planificación de la inversión. La ecuación más simplificada de ROI es la siguiente:

 ,                                       (1)[pic 1]

donde, es el flujo de efectivo después de impuestos,  es la inversión de capital,  es el número de años del proyecto, se utiliza un valor promedio de los ingresos después de impuestos.[pic 2][pic 3][pic 4]

El Eco indicador 99 (EI99) es una metodología basada en la evaluación del ciclo de vida (ECV), donde se basa la ponderación jerárquica en la evaluación relativa del daño. El EI99 se define en la siguiente ecuación:

                         (2)[pic 5]

donde, es el factor de normalización para el daño de la categoría d,  es el factor de ponderación para el daño de la categoría d,  representa la cantidad total de producto químico b liberado por unidad de flujo de referencia debido a las emisiones directas,  es el daño causado en la categoría k por unidad de producto químico b liberado al medio ambiente.[pic 6][pic 7][pic 8][pic 9]

El IR define el riesgo que tiene una persona dependiendo de su posición, ocurrencia de frecuencia implícita y una probabilidad de muerte o lesiones que podrían ser causadas por un accidente. El IR lo definió como sigue:

                                 (3)[pic 10]

donde, es la frecuencia en la que puede pasar el accidente; y  es la probabilidad de afectación en un área específica.[pic 11][pic 12]

Se localizan grados de libertad en cada proceso, lo cual lo convierte en un problema optimizable. La optimización por el método DETL se llevó a cabo utilizando una plataforma híbrida que incluye Microsoft Excel y  Aspen Plus. En donde básicamente el vector de variables de decisión se envía desde Microsoft Excel a Aspen Plus por medio de DDE (Dynamic Data Exchange) a través de la tecnología COM. Ahí esos valores son asignados a las variables del proceso en Aspen Plus Modeler, para realizar la simulación. Una vez  hecha la simulación, Aspen Plus regresan los valores de salida a Microsoft Excel como u  vector resultante que contiene los datos de salida. Por último, Microsoft Excel analiza los valores de la función objetivo y propone nuevos valores de variables de decisión según la metodología DETL.

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