ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA DESCRIÇÃO BÁSICA O Que É

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
DESCRIÇÃO BÁSICA
O Que É
O sol é a fonte de vida e a origem das diferentes formas de energia utilizadas pelo ser
humano desde seus primeiros passos no planeta Terra. No início, sua energia pode
atender todas as necessidades energéticas primárias da sociedade. Efetivamente, a
energia solar que diariamente chega à superfície terrestre equivale a 15.000 vezes,
aproximadamente, a energia primária diária consumida no mundo atualmente.
Além do uso direto da energia solar através de processos naturais, é possível ainda
utilizá-la para atender às necessidades diárias ao transformá-la artificialmente em
energia térmica e elétrica, similar ao que acontece com fontes de energia mais
conhecidas (petróleo, gás, carvão, hidroeletricidade ou energia nuclear). A energia solar
possui duas importantes características: é uma energia praticamente inesgotável e não é
contaminante. Assim mesmo, é uma fonte disponível de energia, em maior ou menor
grau, em qualquer parte do planeta (ver figura 1) e pode ser coletada e transformada no
local de utilização (1).
Watts por metro quadrado por dia
Figura 1: Radiação solar média diária que incide na superfície terrestre
É preciso mencionar que a radiação solar que chega à superfície terrestre tem baixa
densidade energética, e que seu fornecimento é intermitente (ciclos dia/noite). Portanto,
é imprescindível captá-la em superfícies relativamente grandes, que possam acumular a
energia necessária ou complementá-la com outra fonte para sua utilização em horas
noturnas ou períodos de menor insolação, como no inverno.
1 Esta última menção pode oferecer consideráveis vantagens econômicas, principalmente em áreas
remotas e isoladas, onde o custo de transportar combustíveis convencionais (derivados de petróleo e gás)
ou a distribuição de eletricidade pode ser muito elevado.
Resenha Histórica
Desde 1958 e até a primeira crise do petróleo em 1973, as células solares tiveram,
principalmente, aplicações nos campos espacial e militar. As crises do petróleo durante
a década de 70, impulsionaram o desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica FV para
usos terrestres. A meados de 1990, as atividades no campo FV receberam um renovado
estímulo, mas esta vez graças à crescente pressão ecologista da sociedade e à redução
do custo dos sistemas.
Como Funciona
Superfície Necessária versus Demanda
Com o objetivo de oferecer uma ideia da superfície necessária para atender uma
determinada demanda com energia solar, considera-se a continuação, a modo de
exemplo, o caso da energia elétrica na Argentina. A radiação solar média incidente no
território nacional na área compreendida ao norte do rio Colorado, que abrange uma
superfície de 2 milhões de km2, é na média anual de 4,6 kWh/(m2 dia). Em função de
que o consumo anual de energia elétrica durante 2010 foi de 115 x 109 kWh,
considerando uma eficiência de conversão de energia solar em eletricidade da ordem de
15% (eficiência média de um painel solar) e uma taxa de ocupação do terreno de 50%,
seria necessária uma superfície de aproximadamente 900 km2 para produzir essa
energia. Seria uma área similar à do espelho de água da represa hidrelétrica de Chocón,
mas neste caso para gerar 25 vezes mais de energia elétrica. Este é um claro exemplo da
viabilidade para obter a energia solar suficiente para atender o consumo humano. Seu
emprego massivo dependerá, por um lado, dos custos relativos alcançados para um seu
uso integral, incluindo os custos dos sistemas de acúmulo, transporte e distribuição, nos
casos necessários, e das políticas de promoção para seu desenvolvimento. O balanço
global deve incluir o cuidado do meio ambiente associado à produção energética.
Conversão Fotovoltaica
A conversão direta da energia solar em eletricidade é obtida mediante o uso de
dispositivos fotovoltaicos (FV).
O componente principal da indústria FV é a célula solar de silício cristalino (c-Si). A
tecnologia deste semicondutor está muito desenvolvida por ser a base da indústria
eletrônica. Embora foram registrados notáveis avanços no desenvolvimento de novas
células FV, é de se esperar que a tecnologia do c-Si, que dominou o mercado
fotovoltaico durante os últimos 30 anos, continue assim durante, pelo menos, outros 10
anos.
O módulo ou painel fotovoltaico, que é um conjunto de células FV conectadas em série
entre si (figura 3), é o elemento básico no sistema FV. Produzem corrente contínua e se
caraterizam pela potência (W pico ou Wp) que podem brindar ao ser iluminados com
uma radiação solar de 1 kW/m2 (valor padrão ao meio-dia de um dia sem nuvens).
Existem módulos FV comerciais com potências dentro de uma faixa relativamente
ampla, principalmente entre 80 Wp e 300 Wp, com tensões de trabalho características
entre 12 V e 48 V.
Figura 3: Módulos fotovoltaicos – figura ilustrativa.
Sistema Fotovoltaico Padrão
Um sistema FV padrão inclui módulos, baterias (conforme o caso), sistema de controle
e condicionamento de potência, o conversor de corrente contínua para corrente alternada
(conforme o caso) e uma estrutura de montagem. Os sistemas podem ser classificados
em duas grandes categorias: isolados e interconectados com a rede de distribuição
elétrica. A continuação, são listadas as aplicações de ambas as categorias:
• Sistemas isolados (“stand-alone”): Espaciais; Eletrificação rural; Bombeamento de
água; Comunicações (repetidoras, radiotelefonia, etc.); Monitoramento remoto
(climático, sísmico, etc.); Boias de navegação; Proteção catódica para evitar a corrosão;
Produtos de consumo (relógios, calculadoras, etc.); Carregadores de baterias; Carros
solares.
• Sistemas interconectados com a rede: Integrados a prédios (“PV in buildings”);
Centrais de potência.
Figura 4: Sistemas isolados (escola no NOA) e sistemas conectados com a rede
(www.kinsolar.es)
Aplicações Espaciais
A energia fotovoltaica também cumpre uma função fundamental nas aplicações
espaciais. Os painéis solares alimentam de energia elétrica os satélites e são
responsáveis pelo contínuo funcionamento de seus equipamentos. Nesse sentido, o
Departamento Energia Solar (DES por sua sigla em espanhol) da Comissão Nacional de
Energia Atômica (CNEA por sua sigla em espanhol) projeta dispositivos fotovoltaicos
para aplicações espaciais no contexto do Plano Nacional Espacial. Entre seus sucessos
mais recentes, encontra-se o satélite Argentino SAC-D/Aquarius, empreendimento
conjunto entre a CONAE e a agência espacial dos Estados Unidos (NASA), em que o
DES da CNEA foi responsável pelo desenvolvimento e integração de painéis solares de
alimentação. (Figura 2).
Figura 2: Satélite SAC-D/Aquarius
MERCADO
Evolução da Energia Solar Fotovoltaica
As políticas de Estado atuais em diversos países desenvolvidos e emergentes, como em
vários países da Europa, Japão, China, Índia, Coreia e EUA, entre outros, estão
orientadas a mudar em escala o mercado FV. Essas políticas impulsionaram
maiormente, nos últimos anos, a área de sistemas interconectados à rede, através de
programas oficiais e diferentes políticas de promoção.
Em anos recentes, a indústria fotovoltaica teve um explosivo crescimento,
multiplicando-se em mais de 7 a potência instalada entre 2005 e 2010, chegando a cerca
de 40 GW.
Entre todas as energias renováveis, a solar FV foi a que maior crescimento
experimentou no período 2005-2010, com uma taxa anual média de 49%, que se eleva a
72% considerando somente 2010. Ao avaliar só os sistemas conectados à rede, essas
taxas derivam em 60% e 81%, respectivamente. Como comparação, a taxa média de
crescimento da energia eólica foi de 27%, da energia solar térmica de 25%, da produção
de biodiesel de 38%, e da hidroeletricidade de potência de 3%.
Embora a porcentagem de produção de eletricidade a nível global por energias
renováveis seja de 19,4%, aproximadamente a metade dos 194 GW instalados
globalmente em 2010 foram de fontes renováveis. Enquanto a capacidade instalada de
energia eólica em 2010 foi de 39 GW e a hidrelétrica de potência contribuiu com 30
GW, a solar FV o fez com 17 GW, uma quantidade a ser considerada no contexto das
energias renováveis. No caso da União Europeia, mais da metade das novas instalações
de renováveis foram de origem solar FV.
Capacidade Instalada
Em quanto à capacidade instalada de solar FV por países, a liderança continua em poder
da Alemanha com 44% do total instalado em 2010. Segue a Espanha com 10%, Itália e
Japão com 9%, EUA com 6%, e um exemplo notável é o da República Checa com 5%,
onde virtualmente não existiam instalações em 2008 e chegaram a 2 GW em 2010.
Outros países que continuam são a França com 3%, e China, Bélgica e Coreia do Sul
com 2%.
A figura 5 mostra a potência instalada das principais energias renováveis em diferentes
regiões, excluindo geração hidrelétrica de grande escala. A capacidade total mundial
instalada é de aproximadamente 6800 GW. No caso da tecnologia FV, somente são
incluídas as instalações conectadas à rede elétrica. Embora, como é possível observar
nessa figura, a tecnologia FV está atualmente em uma fase de desenvolvimento inferior
ao de outras energias renováveis. Pode-se mencionar que, ao ter uma taxa de
crescimento superior ao do resto das renováveis, sua importância crescerá com o tempo.
Figura 5: Potência instalada de geração elétrica por energias renováveis no ano 2010,
nas diferentes regiões e principais países.
Custo de Produção
O aprimoramento da tecnologia FV foi constante e o custo de geração elétrica FV foi
diminuindo à medida que o volume de produção foi aumentando. Após um período de
estancamento do preço dos módulos FV, como consequência de uma produção de silício
insuficiente comparada ao crescimento da indústria FV, os investimentos realizados no
setor originaram um importante aumento na oferta desse material de base, com a
consequente queda de preços nos módulos FV que alcançaram, em 2010, valores entre
1,30 e 1,80 US$ por Watt. Essa tendência à queda continuou também durante 2011.
Tecnologia mais Utilizada
A tecnologia do silício cristalino continua sendo a predominante no mercado FV,
enquanto as denominadas tecnologias de película fina, baseadas em telúrio de cádmio e
silício amorfo, possuem atualmente 13% do mercado. Tecnologias emergentes como
compostos de cobre índio gálio e selênio (denominado CIGS), células sensibilizadas
com corantes (DSSC), células orgânicas, e células baseadas em semicondutores III-V,
como o arseneto de gálio, utilizando concentração óptica da radiação solar, ainda estão
em uma fase experimental. Contudo, no último caso mencionado, já existem 20 MW
conectados à rede, e na Califórnia (EUA) há contratos assinados para instalação de 300
MW utilizando esta tecnologia.
Desenvolvimento Futuro
O crescimento do mercado FV colocou esta tecnologia em um lugar expectante, em
função da melhoria dessa tecnologia e do previsível aumento do custo operacional das
fontes de energia tradicionais baseadas em combustíveis fósseis. Especialistas no tema,
afirmam que em poucos anos a energia elétrica de origem FV não subsidiada terá um
custo para o consumidor final equivalente à gerada por combustíveis fósseis ou por
outras fontes em vários mercados. É preciso destacar que isso já é uma realidade em
países como Itália, Espanha e Portugal, mercados que têm em comum altos níveis
relativos de insolação, altos custos de energia elétrica, e regimes de regulação de preços
que estimulam o crescimento de energias renováveis. Dentro dos próximos 10 anos está
previsto que esta seja a situação na grande maioria dos países, incluindo a Argentina.
Mercado Fotovoltaico na Argentina
Existem no país instalações para produção de energia elétrica com equipamentos que
empregam tecnologias eólicas, biomassa e solar, até agora com baixa incidência no
relativo à potência instalada. No caso do solar FV é preciso mencionar, contudo, que a
primeira planta de geração FV do país, com 1,2 MW, e construída no contexto do
Projeto Solar San Juan dessa província, e encontra-se atualmente injetando energia no
Sistema Argentino de Interconexão.
Por outro lado, na Argentina há inúmeras populações rurais disseminadas que carecem
de eletricidade. Embora exista uma elevada porcentagem de eletrificação, uma parcela
da população rural argentina carece de serviço elétrico. Somam-se ainda numerosas
escolas e outros serviços públicos em áreas rurais que também não possuem energia
elétrica. Na maioria desses casos, as fontes renováveis e especialmente a solar FV, são a
melhor alternativa energética.
O mercado FV argentino pode considerar-se segmentado em três grupos de demandas:
rurais, industrial e institucional. As demandas internas totais de módulos FV tiveram um
crescimento contínuo entre 20 e 50% anual até 1999 alcançando, nesse momento, um
valor próximo a 1.000 kWp/ano. A partir dali e muito especialmente depois da
desvalorização da moeda, a demanda por sistemas FV sofreu forte regressão que só foi
revertida em 2003, com uma nova queda em 2007. A figura 6 apresenta a evolução do
mercado entre os anos 1997 e 2008, diferenciado entre vendas na Argentina (uso
interno) e exportação.
A demanda rural conforma-se pelos requerimentos de estabelecimentos pecuários e
agrícolas, ou daqueles que residem no ambiente rural. Os tipos de equipamentos e
componentes mais demandados são: módulos FV para carga de baterias destinadas a
postos sanitários da polícia, sistemas para iluminação e alimentação elétrica para
pequenas bombas de água em substituição do tradicional moinho de vento, entre outros.
Figura 6: Demanda total de módulos FV na Argentina
O setor industrial está conformado pelos requerimentos de algumas empresas, como por
exemplo prestadoras de serviços telefônicos, as mais representativas pelos volumes de
módulos adquiridos. Os usos estão voltados ao fornecimento de energia para sistemas
de comunicações, telemetria, sinalização, sistemas de emergência em estradas e
proteção catódica para evitar a corrosão.
O setor institucional inclui programas de assistência social, os entes reguladores de
energia, as fundações e empresas provinciais de energia cujo objetivo é prover de
pequenas quantidades de eletricidade a comunidades rurais afastadas das redes de
distribuição. Essa demanda teve um crescimento importante a partir do início do Projeto
de Energias Renováveis para Mercados Elétricos Rurais (PREMER por sua sigla em
espanhol), acordado com o Banco Mundial a finais de 1999. Em uma primeira etapa, foi
previsto o fornecimento de serviço a 87.000 usuários e 2.000 instituições públicas,
especialmente para iluminação e comunicação social. Mais de 500 escolas rurais em
várias províncias beneficiaram-se da instalação de sistemas fotovoltaicos que alimentam
suas necessidades básicas de energia elétrica.
Recentemente, aconteceu um novo estímulo às energias alternativas com as licitações
públicas (ENARSA e San Juan) para instalação de estações de produção de energia FV
conectadas à rede elétrica. Enquanto a estação licitada por San Juan (de 1,2 MWp) está
atualmente em funcionamento, o resultado das licitações iniciadas por ENRASA estima
a instalação de um total de 20 MW conectados à rede no curto prazo. A concretização
desses empreendimentos, bem como a reativação do projeto PERMER que está
originando a instalação de aproximadamente 2 MWp entre 2010 e 2011, causaram uma
mudança de escala no mercado local em relação com a potência instalada até hoje.
Aos estímulos mencionados no parágrafo anterior, soma-se a vigência da lei 26190/06
que prevê um lucro de $ 0,90 por kWh produzido por energia solar, e a convocatória
realizada em 2011 pela Agência Nacional de Promoção Científica e Tecnológica
(ANPCyT por sua sigla em espanhol), dependente do Ministério de Ciência, Tecnologia
e Inovação Produtiva (MINCyT por sua sigla em espanhol), para apresentação de
projetos que representem a inserção de novas tecnologias no país, para geração de
energia elétrica de origem solar conectada à rede. Assim, existem sinais positivos no
relativo à adoção de políticas de Estado que incorporem, de maneira significativa, a
tecnologia FV no país e propiciem um mercado local que possibilite o desenvolvimento
industrial do sector e, consequentemente, a diversificação da geração de energia elétrica
incorporando fontes renováveis.
REFERÊNCIAS
Autor
Departamento Energia Solar (DES) da Comissão Nacional de Energia Atômica
(CNEA): iniciou suas atividades em 1976. Os primeiros trabalhos se realizaram na área
da conversão fototérmica (transformação de radiação solar em calor) mediante a
utilização de concentradores de radiação aptos para produção de fluidos quentes para
usos industriais ou geração de eletricidade.
A meados da década de oitenta, começaram as tarefas de pesquisa e desenvolvimento
sobre conversão fotovoltaica de energia solar (transformação direta de radiação solar em
eletricidade). Em 1986, foi ajustado o processo de crescimento de cristais de silício
mediante a técnica Czochralski. A partir de 1992, a atividade esteve centrada no projeto,
elaboração e medição de células solares de silício.
Desde 1995, o DES voltou seus principais esforços no desenvolvimento de células e
painéis solares para satélites artificiais, dentro do contexto de um acordo de cooperação
com a Comissão Nacional de Atividades Espaciais (CONAE por sua sigla em
espanhol). Isto originou o primeiro experimento de células solares argentinas no espaço,
realizado no satélite argentino SAC-A, que entrou em órbita a finais de 1998.
Depois da bem-sucedida experiência no SAC-A e visando prover os painéis solares para
futuras missões satelitais previstas no Plano Espacial Nacional, em março de 2001 a
CONAE e a CNEA assinaram um convênio de cooperação cujo objetivo final era prover
os painéis solares de voo para os satélites de observação argentinos SAOCOM. Esse
convênio, enquadrado na Lei No 23.877 de inovação tecnológica, originou a iniciação
no Centro Atômico Constituyentes (CAC por sua sigla em espanhol) do Sub-projeto
Painéis Solares como parte do Projeto SAOCOM. A execução desse sub-projeto
permitiu desenvolver no país as ferramentas de desenho e as técnicas de fabricação,
caraterização, qualificação e teste de painéis solares para usos espaciais. Em contratos
posteriores, a colaboração com a CONAE foi ampliada a fim de incluir o
desenvolvimento de painéis solares para a missão Aquarius/SAC-D e também a
realização de testes ambientais sobre células solares e outros componentes para uso
satelital.
A missão satelital Aquarius/SAC-D é um empreendimento conjunto entre a CONAE e a
Agência Espacial dos Estados Unidos (NASA), em que a CNEA é responsável pelo
desenvolvimento dos painéis solares para o satélite. No contexto do contrato
correspondente, durante o ano 2008, completou-se com sucesso a campanha de teste e
qualificação do Modelo de Qualificação (“Engineering Qualification Model”) dos
painéis solares para essa missão. Recentemente, completou-se a fabricação dos painéis
solares de voo, utilizando tecnologia desenvolvida na CNEA.
Atualmente, continua-se trabalhando no desenvolvimento dos painéis solares para as
missões SAOCOM, que farão parte do Sistema Italo-Argentino de Satélites para Gestão
de Emergências (SIASGE).
Durante os últimos anos, e já no campo das aplicações terrestres, foram desenvolvidos
medidores de radiação solar de baixo custo, baseados em células fotovoltaicas. Vários
protótipos desses radiômetros foram testados e calibrados no Serviço Meteorológico
Nacional e alguns deles estão sendo utilizados em estações meteorológicas de diferentes
províncias argentinas.
Durante 2011, foram aprovados dois subsídios destinados à “Interconexão de sistemas
fotovoltaicos à rede elétrica em ambientes urbanos”, projetos que implicam não só o
estudo de viabilidade, mas também a instalação de sistemas pilotos em órgãos e
moradias sociais. Um aspecto a destacar é a inclusão de 5 empresas privadas com as que
se conformou um consórcio público-privado junto com UNSAM e CNEA.
O DES promove e participa também no estabelecimento de normas nacionais para
sistemas de aproveitamento de energia solar, no contexto do Instituto Argentino de
Normalização (IRAM). Assim mesmo, assessora a órgãos públicos e privados em temas
relacionados com o desenvolvimento e aplicação de tecnologia fotovoltaica no país.
O DES realiza uma importante atividade de formação de recursos humanos no tema,
através da realização de trabalhos de laboratório, Teses de Licenciatura, de Mestrado e
Doutorado. Pessoal do grupo oferece regularmente palestras, seminários e cursos de
divulgação e formação para estudantes e profissionais de diversas especialidades, como
também para público em geral.