Novas tecnologias na energia solar – uma visão global
No sentido mais lato, poder-se-á dizer que praticamente toda a energia que consumimos provém do sol.
A energia solar é a fonte de energia mais abundante na Terra. Querendo para nós um futuro sustentável, com a procura sempre crescente por energia, vamos ter que utilizar este recurso cada vez melhor.
As tecnologias de energia solar convertem a luz solar diretamente em calor e energia elétrica ou usam-na para conversões químicas que criam "combustíveis solares" ou compostos sintéticos.
Nas últimas décadas, duas tecnologias para conversão de energia solar em energia elétrica têm dominado: a energia fotovoltaica (PV) e energia solar concentrada (CSP). A tecnologia do Silício e as tecnologias de PV de filme fino estão a avançar de forma constante, com novos materiais e tecnologias em constante evolução, e existem ideias claras para a redução dos custos de produção.
No seu roadmap a “International Energy Agency” concluiu que a energia solar fotovoltaica tem um potencial significativo de crescimento de longo prazo em quase todas as regiões do mundo. A AIE estima que em 2050 o fotovoltsaico (PV) irá fornecer cerca de 11% da eletricidade global. A capacidade fotovoltaica instalada aumentou 50% em 2009 para 2 GWp. A previsão do roadmap assume uma taxa de crescimento a diminuir nas próximas décadas atingindo 200 GWp de capacidade instalada até 2020, 900 GWp em 2030 e 3.000 GWp até 2050.
De acordo com a AIE, os preços da energia PV vão acompanhar os preços retalhistas da electricidade (paridade) antes de 2020 na maioria das regiões do mundo. A AIE, como quase todos os outros estudos, diz que os incentivos financeiros são necessários para apoiar a implantação de PV, permitindo uma combinação de aumento da produção e concorrência no mercado para reduzir os custos do setor. Uma vezque PV atinja a grid parity, prevê mudanças na política energética e a criação de um mercado auto-sustentável, garantindo simultaneamente aos proprietários PV o direito de vender energia à rede
No que respeita ao PV, apresenta-se um portfólio de opções técnicas disponíveis em diferentes níveis de maturidade. Esta é uma das razões por trás da expectativa de que o custo de PV continuará a cair para um longo período de tempo.
Células solares de silício cristalino e filme fino (thin film) são tecnologias com boa implantação, mas existe ainda um claro potencial para os custos de produção baixarem substancialmente na próxima década.
Além disso, as tecnologias emergentes prometem maior eficiência, alto volume de produção e até mais baixos custos. Essas tecnologias incluem células solares orgânicas a preços mais competitivos, células fotovoltaicas multi-junção mais eficientes e até nanoestruturas de ponto quântico.
O custo de produção PV cai quase 20% a cada duplicação da capacidade de produção, e a expectativa é que as tecnologias emergentes se vão tornado mais competitivas à medida que amadurecem. Entretanto, a grande variedade de aplicações para PV permite às diversas tecnologias desenvolver seus os próprios mercados: a partir de produtos de nicho.
As tecnologias PV têm um sério problema limitador do seu desenvolvimento a partir de determinado nível. A prata (Ag), índio (In), cádmio (Cd) e telúrio (Te) são alguns dos elementos habitualmente utilizados em células solares que são relativamente raros; as reservas conhecidas serão esgotadas em 10-20 anos, à taxa de extracção corrente. Como resultado, algumas tecnologias PV irão simplesmente estar limitadas pela falta de materiais, caso não se encontrem novas jazidas ou produtos de substituição.
Hoje, a Energia Solar Concentrada (Concentrating solar power - CSP) tem um custo de produção na faixa de 15-20 cêntimos € / kWh, competindo com o mercado convencional de produção ordinária, na gama de 3-4 cêntimos € / kWh.
A integração no mercado de uma forma sustentável, como previsto em cenários diferentes, só pode ser conseguido se o custo puder ser reduzido a um nível competitivo nos próximos 10-15 anos. Competitividade não é apenas influenciada pelo custo da tecnologia em si, mas também por um potencial aumento do preço da energia fóssil e pela internalização de diversas externalidades tais como os custos sociais associados, como as emissões de carbono. Portanto, assume-se que a médio e longo prazo, a competitividade é alcançada com um nível de centavos 5-7 € / kWh.
Os sistemas CSP atuais dividem-se em quatro classes principais dependendo da configuração geométrica usada para concentrar os raios do sol, receber a radiação solar e recolher o calor resultante: tecnologia cilidrico-parabólica, de torre solar, sistemas de disco parabólico Stirling e sistemas lineares de Fresnel.
As parabólicas são as mais maduras das tecnologias CSP e representam a maior parte das atuais plantas comerciais. A maioria das centrais já existentes, no entanto, têm pouco ou nenhum armazenamento térmico e confiam na queima de combustível para fornecer backup quando o sol não está a brilhar. Por exemplo, as unidades CSP em Espanha obtêm 12-15% da sua produção anual de electricidade a partir de gás natural.
As centrais de torre solar ou sistemas de centrais receptoras (SIR) usam centenas ou milhares refletores móveis de dois eixos (heliostatos) para concentrar os raios do sol num recetor central, colocado no topo de uma torre fixa. Algumas centrais de torre já em operação usam a geração direta de vapor no recetor, outras utilizam sais fundidos tanto para transferência e a armazenamento de calor. A primeira torre solar, a operar comercialmente no mundo, foi desenvolvida pela Abengoa Solar, perto de Sevilha.
Nos sistemas Stirling, as antenas parabólicas concentram os raios do sol num ponto focal suspenso acima do centro do prato. Todo o aparelho acompanha o sol, com o prato e o receptor movendo-se em conjunto. A maioria dos pratos tem um motor/gerador independente (tal como uma máquina de Stirling ou uma microturbina) no ponto focal. Este desenho elimina a necessidade de um fluido de transferência de calor ou de água de arrefecimento.
Os refletores lineares Fresnel (RLF) aproximam-se da forma do sistema cilíndrico-parabólico, mas utiliza espelhos planos ou levemente curvados que, alinhados e segmentados, refletem a radiação solar num receptor fixo e linear, com a face voltada para baixo. A geração de vapor ocorre diretamente no recetor, onde circula água. Um projeto mais recente conhecido como o refletores Fresnel lineares compactos(CLFRs) utiliza dois recetores em paralelo para cada linha de espelhos e, portanto, precisa de menos terra do que uma calha parabólica com a mesma saída.
No curto prazo (aprox. 10 anos), os desafios da pesquisa deve concentrar-se em identificar e contribuir para a execução das potenciais inovações técnicas que têm maior impacto na redução de custos da CSP. Os desafios da pesquisa podem ser divididos em três grupos:
Modularidade crescente:
• Modularidade nos conceitos das plantas, por exemplo, torre multissistemas, sistemas Stirling eficazes em termos de custo/benefício.
• Modificação de estruturas, a aplicação de novos materiais e simplificação do sistema concentrador.
• Modularidade de peças ou componentes, por exemplo, heliostatos e módulos receptores.
Aumento da eficiência:
• Através de simplificações do esquema das plantas, reduzindo a necessidade de comutadores de calor ao utilizar diferentes fluidos de trabalho (como na Geração de Vapor Direto).
• Continuação do desenvolvimento do ciclo termodinâmico com temperaturas elevadas, ou superaquecimento adicional para o CRS (Central do Sistema Recetor). Estas medidas proporcionam uma maior eficiência e frações solares.
• Fornecer soluções mais eficientes de dry cooling.
Despacho crescente e disponibilidade:
• Integração de armazenamento térmico para várias horas de carga total, juntamente com novos materiais de armazenamento e conceitos avançados de carga/descarga de modo a permitir a produção de eletricidade solar.
• Desenvolvimento de melhores estratégias para controlo e operação com tempo nublado.
• Melhoria dos sistemas de previsão de despacho, das previsões meteorológicas e da procura do mercado.
• Desenvolvimento de procedimentos (ou metodologias) para avaliação tempo de vida dos materiais de componentes principais, como o recetor ou o mecanismo de condução, evitando o envelhecimento acelerado.
• Melhoria da operação e manutenção.