O que é?

Energia Solar Térmica

Neste caso, o interesse é na quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo. A utilização dessa forma de energia implica não somente em saber captá-la, mas também em como armazená-la. Os equipamentos mais difundidos com o objetivo específico de se utilizar a energia solar térmica são conhecidos como coletores solares.

Os coletores solares são aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos) e são classificados em coletores concentradores e coletores planos, em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. O fluido aquecido pode ser mantido em reservatórios termicamente isolados até o seu uso final. Os coletores concentradores estão associados a aplicações em temperaturas superiores a 100oC, podendo alcançar temperaturas de até 400oC para o acionamento de turbinas a vapor e posterior geração de eletricidade. Já os coletores planos são utilizados fundamentalmente para aplicações residenciais e comerciais em baixa temperatura (por volta de 60oC), tais como: água aquecida para banho, ar quente para secagem de grãos, aquecimento de piscinas, água aquecida para limpeza em hospitais e hotéis, etc.

Os coletores solares planos são largamente utilizados para aquecimento de água em residências, hospitais, hotéis, etc., visando à redução do consumo de energia elétrica ou de gás. Em termos globais, o Relatório da Situação Global das Renováveis 2012 estima que a potência instalada acumulada no mundo, apenas para aquecimento de água e geração de calor, atingiu 232 GWth1 ao final de 2011, o que representa o uso de uma área aproximada de 330 milhões de m2. O mesmo relatório estima que mais de 200 milhões de residências no mundo usam coletores solares para aquecimento de água. No Brasil, a área acumulada atingiu 8,49 milhões de m2, o que supera 5,7 GWth, sendo 1,15 milhão de m2 acrescentados apenas em 2012. A Figura 1.1 apresenta a evolução do setor de aquecimento solar no mercado brasileiro ao longo da última década.

Figura 1.1 – Evolução do Mercado Brasileiro de Aquecimento Solar. Fonte: (DASOL, 2013).

Uma tendência que se observa nessa área, no exterior, é a instalação de grandes sistemas solares integrados para aquecimento de água e ambiente, bem como para refrigeração, além da implantação de sistemas urbanos de aquecimento (district heating). Em 2011 foi construída uma planta de 25 MWth para aquecimento de água em Riad, na Arábia Saudita, capaz de atender 40.000 estudantes universitários, constituindo-se na maior planta instalada no mundo para esta finalidade.

Plantas de médio e grande porte utilizando sistemas ópticos (lentes, espelhos) para concentração da radiação solar e aquecimento de fluidos a altas temperaturas são denominadas de CSP (Concentrated Solar Power). Quatro tecnologias CSP são usadas: cilindros parabólicos, torres solares, coletores lineares de Fresnel e concentradores (“discos”) parabólicos. Nas três primeiras tecnologias, normalmente o calor captado é usado na produção de vapor e posterior acionamento de turbinas para fins de geração de energia elétrica. Na última, a energia elétrica é gerada em motores stirling. As tecnologias apresentam diferentes níveis de maturidade, variando desde a viabilidade comercial dos cilindros parabólicos – que dominam o mercado com 90% da potência instalada, passando por plantas pilotos comerciais com torres solares, a projetos pilotos com concentradores de Fresnel. As potências destas plantas podem variar de uma dezena de kW, nos sistemas stirling, até centenas de MW, em plantas com cilindros parabólicos.

Em 2013, as instalações CSP de diferentes tecnologias de concentradores solares atingiram uma potência instalada global da ordem de 2,8 GW, onde aproximadamente 90% das instalações se encontravam em operação. A Espanha é responsável por aproximadamente 65% do total das plantas em operação no mundo. Uma grande vantagem dos sistemas solares térmicos é a possibilidade de serem acoplados a sistemas de armazenamento de calor para uso em outros horários, que não coincidem com a incidência solar. Isso traz uma maior flexibilidade no despacho de energia elétrica, em comparação aos sistemas fotovoltaicos, além de maior eficiência no processo de conversão de energia e de uma gama de aplicação mais ampla. Outra vantagem é a possibilidade de integração com outras aplicações que necessitem de energia térmica.

Um dos grandes desafios que se coloca para o segmento industrial solar térmico é a queda significativa dos preços dos módulos fotovoltaicos, que tornam estes mais competitivos.

Quanto à energia solar térmica passiva, a arquitetura bioclimática estuda formas de harmonizar as construções ao clima e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nesses ambientes, e tirando partido de correntes convectivas naturais e de microclimas criados por vegetação apropriada. Trata-se da adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às condições específicas (clima e hábitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, a energia que pode ser diretamente obtida das condições locais e beneficiando-se da luz e do calor provenientes da radiação solar incidente, bem como da ventilação natural. O uso da luz solar, que implica em redução do consumo de energia elétrica para iluminação, condiciona o projeto arquitetônico quanto à sua orientação espacial, quanto às dimensões das janelas e suas propriedades ópticas, altura do teto, etc.

Por outro lado, a administração do calor proveniente do Sol é conseguida pela alteração da orientação espacial da edificação e pela seleção dos materiais adequados (isolantes ou não, conforme as condições climáticas) para paredes, vedações e coberturas, dentre outros fatores.

A arquitetura bioclimática não se restringe a características arquitetônicas adequadas. Preocupa-se, também, com o rendimento dos equipamentos e sistemas que são necessários ao uso da edificação (aquecimento de água, circulação de ar e de água, iluminação, conservação de alimentos, etc.) e com o uso de materiais de conteúdo energético tão baixo quanto possível.

1.2 – Energia Solar Fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico), sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão. As principais tecnologias aplicadas na produção de células e módulos fotovoltaicos são classificadas em três gerações. A primeira geração é dividida em duas cadeias produtivas: silício monocristalino (m-Si) e silício policristalino (p-Si), que representam mais de 85% do mercado, por ser considerada uma tecnologia consolidada e confiável, e por possuir a melhor eficiência comercialmente disponível.

2 Módulo fotovoltaico é uma unidade básica, formada por um conjunto de células fotovoltaicas, interligadas eletricamente e encapsuladas, com o objetivo de gerar energia elétrica, e se constitui na unidade comercial do gerador fotovoltaico. Ver item 3.4. A segunda geração, comercialmente denominada de filmes finos, é dividida em três cadeiasprodutivas: silício amorfo (a-Si), disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração apresenta menor eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do mercado, competindo com a tecnologia c-Si3. Existem dificuldades associadas à disponibilidade dos materiais, vida útil, rendimento das células e, no caso do cádmio, sua toxicidade, que retardam a sua utilização em maior escala.

A terceira geração, ainda em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), testes e produção em pequena escala, é dividida em três cadeias produtivas: célula fotovoltaica multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV – Concentrated Photovoltaics), células sensibilizadas por corante(DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics). A tecnologia CPV, por exemplo, demonstrou ter um potencial para produção de módulos com altas eficiências, embora o seu custo ainda não seja competitivo com as tecnologias que atualmente dominam o mercado.

A Figura 1.2 apresenta a evolução da eficiência das células fotovoltaicas verificada no período de 1990 a 2010, mostrando a melhor eficiência obtida para células de pequena área (0,5 a 5,0 cm2) fabricadas em laboratório, usando diferentes tecnologias. Células multijunção para concentração (III-V MJ Conc)4 foram fabricadas com dupla junção até 1995 e, posteriormente, com junções triplas. Na Figura 1.2, a eficiência da célula a-Si MJ (multijunção com silício amorfo) refere-se ao valor já estabilizado após exposição prolongada à luz.

3 Denominação genérica das tecnologias de silício cristalino, m-Si e p-Si.

4 Células com Concentradores Multijunção, também conhecidas por III-V MJ Conc, utilizam na sua fabricação semicondutores dos antigos grupos III e V da tabela periódica.

Figura 1.2 – Desenvolvimento das células fotovoltaicas. Fonte: Adaptada de (GREEN et al., 2011).

Um desafio paralelo para a indústria é o desenvolvimento de acessórios e equipamentos complementares para sistemas fotovoltaicos, com qualidade e vida útil comparáveis às dos módulos fabricantes de módulos de silício cristalino garantem os seus produtos por 25 anos). Sistemas de armazenamento de energia e de condicionamento de potência têm sofrido grandes avanços no sentido de aperfeiçoamento e redução de custos, embora ainda não tenham atingido o grau de desenvolvimento desejado.

1.2.1 – História e situação atual da energia solar fotovoltaica no mundo

Os principais eventos associados ao desenvolvimento dos equipamentos de conversão da energia solar fotovoltaica podem ser visualizados na Figura 1.3. O efeito fotovoltaico, primeiramente descoberto por Edmond Becquerel, em 1839, implica no aparecimento de uma diferença de potencial nos terminais de uma célula eletroquímica causada pela absorção de luz. Em 1876 foi concebido o primeiro aparato fotovoltaico advindo dos estudos da física do estado sólido e, apenas em 1956, iniciou-se a produção industrial, seguindo o crescimento da área de eletrônica.

Inicialmente, o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi a chamada “corrida espacial”. A célula fotovoltaica era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo, peso e segurança) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de alimentação de equipamentos eletroeletrônicos no espaço.

Representação dos eventos-chave no desenvolvimento das células fotovoltaicas. Fonte: Adaptado de
(FERREIRA, 1993).

A crise do petróleo de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações terrestres para a energia solar fotovoltaica. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de energia, seria necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das células fotovoltaicas em relação ao custo daquelas células usadas em aplicações espaciais. Adicionalmente, o perfil das empresas envolvidas no setor também foi modificado. Nos Estados Unidos, algumas empresas de petróleo resolveram diversificar seus investimentos, incluindo a produção de energia a partir da radiação solar em suas áreas de negócios. 

Em 1978, a produção da indústria fotovoltaica no mundo já ultrapassava a marca de 1 MWp/ano5 . Os Estados Unidos foram líderes mundiais na produção dessa tecnologia durante a maior parte da década de 1990. No final dessa década, políticas de governo na Alemanha e no Japão resultaram em aumentos substanciais no desenvolvimento desse mercado. Essas políticas foram impulsionadas, em parte, por um forte compromisso com a redução de CO2, conforme previsto pelo Protocolo de Kyoto, e em parte para desenvolver o mercado dessa tecnologia para exportação. 

Em 1998, a produção mundial de células fotovoltaicas atingiu a marca de 150 MWp, sendo o silício quase absoluto dentre os materiais utilizados. O grande salto no desenvolvimento do mercado fotovoltaico resultou do rápido aumento da produção chinesa, observado desde 2006. Em 2003, a Ásia não figurava entre os dez maiores fabricantes do mundo, entretanto, em 2008, três destes eram da China e um de Taiwan e, em 2009, a China já ocupava a liderança na fabricação de módulos.

Embora abundante na Terra, a energia solar para produção de energia elétrica ainda é pouco utilizada. Nos países desenvolvidos este cenário vem mudando, porque fortes incentivos foram concedidos para a instalação de sistemas fotovoltaicos. A Figura 1.4 apresenta a evolução da produção mundial de células fotovoltaicas, tendo sido produzidos, em 2012, cerca de 36,2 GWp. Esta potência equivale a mais de duas vezes e meia a potência da usina hidroelétrica de Itaipu, a maior central de produção de energia elétrica do Brasil. Nos últimos onze anos, o crescimento  anual médio da indústria de células e módulos fotovoltaicos foi de 54,2%.

 

Figura 1.4 – Produção mundial de células fotovoltaicas. Fonte: Modificado de (Roney 2013).

A Figura 1.5 apresenta a potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo no período de 2000 a 2012. O maior mercado de módulos fotovoltaicos tem sido a Alemanha, seguida da Itália, sendo que, apenas na Europa, encontram-se instalados aproximadamente 74% da produção mundial. Em 2011, a energia elétrica produzida pelos sistemas fotovoltaicos correspondeu a 2% do consumo europeu, com destaque para a Itália, onde este número foi da ordem de 5%. Na última década, a potência instalada em sistemas fotovoltaicos nos países europeus somente foi menor que a instalada em centrais eólicas e a gás natural. Depois da Europa, os maiores mercados para sistemas fotovoltaicos estão no Japão e nos Estados Unidos. Vale ressaltar que, até 2012, a potência instalada acumulada global superou os 100 GWp, sendo 32,3 GWp na Alemanha e 16 GWp na Itália.

Figura 1.5 – Evolução da potência instalada em sistemas fotovoltaicos no mundo. Fonte: (EPIA, 2013).

Outros mercados estão surgindo, principalmente na Ásia, podendo-se citar, dentre outros países, o expressivo crescimento verificado na China e na Índia, devido a políticas favoráveis, preços baixos de módulos fotovoltaicos e programas de eletrificação rural em larga escala. Na China, mais do que incentivar o uso da tecnologia através de programas governamentais, a política mais agressiva está voltada para a produção e exportação de células e módulos fotovoltaicos. A Figura 1.6 apresenta a distribuição percentual da produção mundial de células segundo o país ou região, em 2012. A China, que fabricou 23 GWp em módulos fotovoltaicos, deteve 64% da produção mundial desse ano. As indústrias instaladas em países asiáticos, não necessariamente com tecnologia desenvolvida nacionalmente, dominam o mercado, com 85%. Em 2012, na Europa foram produzidos 11% dos módulos fotovoltaicos e nos Estados Unidos, 3%, mas deve-se observar que muitas empresas europeias e norte-americanas deslocaram suas fábricas para a Ásia, em busca de redução de custos de produção, em função da existência de uma cadeia produtiva estabelecida, mão de obra qualificada e barata, e incentivos por meio de fontes de financiamento para implantação de fábricas.

O gráfico da Figura 1.6 mostra os principais países fabricantes de módulos fotovoltaicos do mundo em 2012.

Figura 1.6 – Distribuição da produção mundial de células fotovoltaicas em 2012. Fonte: (GTM RESEARCH, 2013)

O custo das células fotovoltaicas é, ainda hoje, um grande desafio para a indústria e o principal empecilho para a difusão dos sistemas fotovoltaicos em larga escala. No entanto, a tecnologia fotovoltaica está se tornando cada vez mais competitiva, em razão, tanto dos seus custos decrescentes, quanto dos custos crescentes das demais formas de produção de energia, inclusive em função da internalização de fatores que eram anteriormente ignorados, como a questão dos impactos ambientais. No final de 2013, para venda em maior escala, o preço do módulo fotovoltaico de c-Si encontrava-se em cerca de 0,60 €/Wp na Europa, de 0,65 U$/Wp nos EUA e menos de 3 R$/Wp no Brasil.

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