UM OLHAR PARA O FUTURA DA ENERGIA SOLAR

15/Setembro/2015

Um olhar para o futuro da energia solar

Maurício Bernardes

Atualmente 2/3 das emissões mundiais de CO₂ provenientes de combustíveis fósseis estão associadas a geração de eletricidade, aquecimento e transporte, apesar de existirem formas muito menos impactantes e renováveis de gerar energia. Uma delas, o aproveitamento da energia do Sol, é o recurso energético disponível mais abundante no planeta. Para se ter uma ideia, a quantidade de energia proveniente da radiação solar que alcança a Terra em uma hora é suficiente para suprir a demanda anual de energia de toda a população mundial.
A Agência Internacional de Energia (IEA) ao criar cenários para o mercado de geração de energia para as próximas décadas, com foco em alternativas que pudessem controlar as mudanças climáticas, estimou que 66% da geração de energia no mundo será obtida por fontes renováveis.
A Agência estima ainda que 27% da energia gerada por fontes renováveis em 2050 será proveniente do Sol, com uma participação 50 vezes maior do que a observada em 2013. Com isto, espera-se que as emissões de CO₂ em 2050 caiam à 50% do montante de 2011, e se consiga fazer frente, de forma mais equilibrada, ao consumo de energia no mundo, que deve crescer no período aproximadamente 79%.
Diferentemente de outras fontes de energia em que há uma certa concentração de recursos em determinadas regiões, a possibilidade do aproveitamento de energia solar ocorre em boa parte do planeta, incluindo as regiões mais pobres.
A intermitência da geração é um dos obstáculos da utilização em escala da energia solar, que vai depender da sua combinação com outras fontes de energia, com geração flexível, para equilibrar a oferta e a demanda em tempo real. Isto se justifica pela impossibilidade de prever a quantidade de energia que será produzida a cada dia quando se tem uma fonte exclusiva de geração solar, conforme ilustrado a seguir:
Intermitência e variação da energia solar disponível: Medição da intensidade da energia solar a cada minuto ao longo de 2012 no Colorado (EUA). O eixo “Tempo” está em escala e leva em consideração o período noturno (espaço em branco entre as curvas de distribuição diárias). Figura indica intermitência e variação da disponibilidade de energia solar (curvas diárias com formatos, áreas e picos variáveis), influenciada pelas estações climáticas, períodos nublados, entre outros).
Além disto, as instalações de aproveitamento de energia solar precisarão contar com sistemas eficientes de armazenamento de grande capacidade. O estudo de tais sistemas inclui alternativas como o uso da energia solar para quebrar moléculas de água (eletrólise) para produção de hidrogênio a fim de gerar eletricidade para compensar a intermitência e a própria flutuação de oferta x demanda de energia e tornar o sistema mais confiável.
Recente estudo do MIT (Massachusetts Institute of Technology) intitulado “The Future of Solar Energy” é um material bastante rico e que ajuda a projetar o futuro do mercado e da tecnologia de aproveitamento de energia solar no mundo.
Respondendo por apenas 1% de toda a energia produzida no mundo a energia solar tem elevado potencial para se desenvolver e conquistar um papel importante na matriz energética até a metade deste século. Nos últimos anos, apesar dos seus custos de implantação estarem se reduzindo, a ampliação de sua participação no mercado ainda depende de políticas governamentais de incentivo.
Atualmente a maior parte do aproveitamento de energia solar no mundo (97%) acontece com a utilização de placas fotovoltaicas (PV – Photovoltaic) e com menor participação (3%) por meio de concentradores térmicos solares (CSP – Concentrated Solar Power). As duas tecnologias diferem bastante entre si. Enquanto as aplicações de PV podem ser instaladas em pequena escala, inclusive residenciais (menores do que 10 kW), as instalações de CSP são grandes, tipicamente com capacidade de 100 MW ou mais, com um custo de geração atual maior do que o do sistema equivalente por PV (entre 25% e 50% dependendo da região).
A conversão fotovoltaica acontece por meio de elementos que ao receberem luz tem a propriedade de convertê-la em energia elétrica em corrente contínua, e que com auxílio de inversores é transformada em corrente alternada, compatível com o padrão das concessionárias / equipamentos. Destaca-se que os painéis solares fotovoltaicos podem converter energia a partir de radiação direta e difusa e portanto conseguem operar sob condições de tempo nublado.
As células PV são compostas por arranjos de materiais semicondutores em duas categorias básicas: de camadas mais espessas ou de finas camadas (normalmente com a espessura total de 1/35 de um fio de cabelo), sendo esta última categoria associada normalmente a filmes flexíveis.
Há ainda outras formas importantes de aproveitamento de energia solar e que não estão nesta estatística: Primeiro, os chamados coletores solares (placas com aquecimento direto de fluido pela irradiação solar), amplamente utilizados em locais que combinam boa insolação, maiores custos de energia elétrica e de gás, além de eventuais subsídios. Em segundo lugar, o uso de energia solar para produzir reservas de combustíveis sem gerar primeiramente eletricidade (Solar-to-Fuel), contudo ainda são inviáveis economicamente.
Na linha do tempo, a tecnologia de conversão fotovoltaica ganhou impulso com os modelos mais avançados de componentes à base de silício cristalino utilizados em satélites no final da década de 1950.
A maior parte das aplicações mundiais de PV acontece ainda com células fotovoltaicas à base de silício cristalino, que embora tenham custo competitivo e mais de 60 anos de experiência acumulada de utilização, tem duas limitações principais: processamento complexo e baixa eficiência.  Tais limitações tem levado ao desenvolvimento de alternativas com outras estruturas cristalinas, capazes de formar filmes mais finos, mais leves e com formatos flexíveis, e que devem reduzir os custos de instalação no futuro.
Eficiências máximas obtidas em laboratório para os PV´s em silício monocristalinos atingiram 25,6 % e com silício policristalinos, 20,4%. Em áreas maiores as respectivas eficiências caíram para 20,8% e 18,5%. Já os filmes flexíveis finos, têm alcançado uma eficiência na média cerca de 30% menor, além de demandarem maiores investimentos para a proteção hermética do conjunto para evitar degradação pela umidade e oxigênio.
Atualmente as células de energia fotovoltaica à base de silício cristalino são capazes de gerar entre 260 Wp e 320 Wp (Watt de pico - geração máxima de energia em W sob condições padronizadas, tais como irradiância e temperatura).
No mundo, a capacidade instalada de energia fotovoltaica tem crescido a uma taxa média de 47% ao ano, desde 2001, conforme ilustrado a seguir:
Destaca-se que nos EUA, nos últimos 6 anos, a capacidade instalada de PV cresceu de 1000 MW para 18000 MW, em parte por conta da redução média de 60% no custo do “W de pico” instalado.
Redução do custo médio do Wp instalado de sistemas fotovoltaicos em residências e instalações industriais (Usinas), ao longo dos últimos anos nos EUA.
As instalações residenciais de PV, com um custo aproximadamente 80% maior do que das instalações industriais (usinas solares), tem adotado modelos de “comodato” para difusão em alguns países. Neste modelo, investidores competem para financiar a instalação de PV em clientes residenciais a fim de vender a energia gerada por um preço competitivo em relação ao praticado pela concessionária, levando ao desenvolvimento deste mercado.
A geração distribuída de energia proveniente de instalações fotovoltaicas é uma realidade em diversos países, com residências, estabelecimentos comerciais, entre outros, trabalhando conectados à rede, funcionando como autogeradores de energia. Neste modelo, podem comercializar o excesso de sua geração com auxílio de medidores inteligentes “Smart Meters”, que “giram ao contrário” quando a residência/ estabelecimento está produzindo uma potência maior do que a consumida num determinado momento.
Em contrapartida, há regiões do mundo, que apesar de serem bastante ensolaradas e possuírem elevado potencial de conversão de energia solar, não dispõem de redes de distribuição que favoreçam a geração distribuída, dada a baixa densidade populacional. Assim, o baixo custo de produção em escala esbarra no elevado investimento para ampliação das linhas de transmissão até grandes centros consumidores.
Para os próximos anos, fruto das pesquisas em desenvolvimento na área de energia fotovoltaica, espera-se:
- Maior eficiência na conversão de energia solar: A combinação de novos elementos, tem permitido avanços importantes na eficiência das células fotovoltaicas, atingindo em laboratório, valores surpreendentes de cerca de 45% de eficiência.
- Menor volume de material envolvido na fabricação das células fotovoltaicas: Menores espessuras das camadas estruturantes e ativas (de geração);
- Menor complexidade e menores custos de produção: Pesquisas em andamento tem focado métodos de impressão de baixo custo para formar os filmes finos;
Por fim, para que a energia fotovoltaica se estabeleça nas próximas décadas como uma das principais fontes na matriz energética mundial deverá vencer mais um desafio, talvez o maior deles: “A necessidade da mudança de mentalidade para se calcular a viabilidade dos projetos de geração de energia no mundo”.  Comparada com outras fontes, como por exemplo as instalações de gás natural, o custo da geração de energia elétrica por PV ainda é maior. Porém, neste tipo de comparação não se tem levado em consideração os gastos que a sociedade tem, para fazer frente ao impactos e prejuízos decorrentes do aquecimento global por conta das emissões dos gases de efeito estufa provenientes das soluções “mais baratas” com combustíveis fósseis.
Links para mais informações:
https://mitei.mit.edu/futureofsolar
http://www.nrel.gov/
https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/TechnologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf