Energia solar - Solar power

Um sistema solar fotovoltaico em um telhado em Hong Kong
As três primeiras unidades de energia solar concentrada (CSP) da Estação de Energia Solar Solnova da Espanha em primeiro plano, com as torres de energia solar PS10 e PS20 em segundo plano
Este mapa de recursos solares fornece um resumo da energia solar estimada disponível para geração de energia e outras aplicações de energia. Ele representa a soma média diária / anual da produção de eletricidade de uma usina de energia solar fotovoltaica conectada à rede de 1 kW de pico cobrindo o período de 1994/1999/2007 (dependendo da região geográfica) a 2015. Fonte: Global Solar Atlas

A energia solar é a conversão da energia a partir de luz solar em electricidade , quer directamente usando tecnologia fotovoltaica (PV), indirectamente, utilizando a energia solar concentrada , ou uma combinação. Os sistemas de energia solar concentrada usam lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento solar para concentrar uma grande área de luz solar em um pequeno feixe. As células fotovoltaicas convertem luz em corrente elétrica usando o efeito fotovoltaico .

A energia fotovoltaica foi inicialmente usada exclusivamente como fonte de eletricidade para aplicações de pequeno e médio porte, desde a calculadora alimentada por uma única célula solar até residências remotas alimentadas por um sistema fotovoltaico fora da rede no telhado. As usinas de energia solar concentrada comerciais foram desenvolvidas pela primeira vez na década de 1980. Como o custo da eletricidade solar caiu, o número de conectados à rede sistemas solares fotovoltaicos tem crescido nos milhões e escala gigawatt centrais fotovoltaicas estão sendo construídas. A energia solar fotovoltaica está rapidamente se tornando uma tecnologia barata e de baixo carbono para aproveitar a energia renovável do sol.

A Agência Internacional de Energia disse em 2021 que, em seu cenário "Zero líquido até 2050", a energia solar contribuiria com cerca de 20% do consumo mundial de energia , e a solar seria a maior fonte de eletricidade do mundo. A China tem o maior número de instalações solares. Em 2020, a energia solar gerou 3,5% da eletricidade mundial, em comparação com menos de 3% no ano anterior. Em 2020, o custo nivelado não subsidiado de eletricidade para energia solar em escala de serviço público era de cerca de US $ 36 / MWh, e o custo de instalação era de cerca de um dólar por watt CC.

Tecnologias convencionais

Muitas nações industrializadas instalaram capacidade significativa de energia solar em suas redes para complementar ou fornecer uma alternativa às fontes de energia convencionais , enquanto um número crescente de nações menos desenvolvidas se voltou para a energia solar para reduzir a dependência de caros combustíveis importados (ver energia solar por país ) . A transmissão de longa distância permite que recursos remotos de energia renovável substituam o consumo de combustível fóssil. As usinas de energia solar usam uma de duas tecnologias:

Células fotovoltaicas

Esquemas de um sistema de energia fotovoltaico residencial conectado à rede

Uma célula solar , ou célula fotovoltaica (PV), é um dispositivo que converte luz em corrente elétrica por meio do efeito fotovoltaico . A primeira célula solar foi construída por Charles Fritts na década de 1880. O industrial alemão Ernst Werner von Siemens foi um dos que reconheceu a importância desta descoberta. Em 1931, o engenheiro alemão Bruno Lange desenvolveu uma fotocélula usando seleneto de prata no lugar de óxido de cobre , embora o protótipo de células de selênio convertesse menos de 1% da luz incidente em eletricidade. Seguindo o trabalho de Russell Ohl na década de 1940, os pesquisadores Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin criaram a célula solar de silício em 1954. Essas primeiras células solares custam US $ 286 / watt e atingiram eficiências de 4,5–6%. Em 1957, Mohamed M. Atalla desenvolveu o processo de passivação da superfície do silício por oxidação térmica na Bell Labs . O processo de passivação de superfície desde então tem sido crítico para a eficiência da célula solar .

A matriz de um sistema de energia fotovoltaica , ou sistema fotovoltaico, produz energia de corrente contínua (DC) que flutua com a intensidade da luz solar. Para uso prático, isso geralmente requer a conversão para certas tensões desejadas ou corrente alternada (CA), por meio do uso de inversores . Várias células solares são conectadas dentro de módulos. Os módulos são ligados entre si para formar matrizes e, em seguida, ligados a um inversor, que produz energia na tensão desejada e, para CA, na frequência / fase desejada.

Muitos sistemas fotovoltaicos residenciais são conectados à rede sempre que disponíveis, especialmente em países desenvolvidos com grandes mercados. Nestes sistemas fotovoltaicos conectados à rede , o uso de armazenamento de energia é opcional. Em certas aplicações, como satélites, faróis ou em países em desenvolvimento, baterias ou geradores de energia adicionais são frequentemente adicionados como backup. Esses sistemas de energia independentes permitem operações à noite e em outras horas de luz solar limitada.

Energia solar concentrada

Um coletor parabólico concentra a luz do sol em um tubo em seu ponto focal.

A energia solar concentrada (CSP), também chamada de "térmica solar concentrada", usa lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento para concentrar a luz solar e, em seguida, usa o calor resultante para gerar eletricidade a partir de turbinas convencionais movidas a vapor.

Existe uma ampla gama de tecnologias de concentração: entre as mais conhecidas estão a calha parabólica , o refletor Fresnel linear compacto , o prato Stirling e a torre de energia solar . Várias técnicas são usadas para rastrear o sol e focalizar a luz. Em todos esses sistemas, um fluido de trabalho é aquecido pela luz solar concentrada e, em seguida, usado para geração ou armazenamento de energia. O armazenamento térmico de forma eficiente permite a geração de eletricidade de até 24 horas.

Uma calha parabólica consiste em um refletor parabólico linear que concentra a luz em um receptor posicionado ao longo da linha focal do refletor. O receptor é um tubo posicionado ao longo dos pontos focais do espelho parabólico linear e é preenchido com um fluido de trabalho. O refletor é feito para seguir o sol durante o dia, rastreando ao longo de um único eixo. Os sistemas de calhas parabólicas fornecem o melhor fator de uso da terra de qualquer tecnologia solar. As fábricas de Sistemas de Geração de Energia Solar na Califórnia e Nevada Solar One da Acciona, perto de Boulder City, Nevada, são representantes dessa tecnologia.

Os refletores lineares compactos de Fresnel são plantas CSP que usam muitas tiras de espelhos finos em vez de espelhos parabólicos para concentrar a luz do sol em dois tubos com fluido de trabalho. Isso tem a vantagem de que podem ser usados ​​espelhos planos, que são muito mais baratos do que os espelhos parabólicos, e que mais refletores podem ser colocados na mesma quantidade de espaço, permitindo que mais luz solar disponível seja usada. Os refletores de fresnel linear de concentração podem ser usados ​​em plantas grandes ou mais compactas.

O prato solar Stirling combina um prato de concentração parabólica com um motor Stirling que normalmente aciona um gerador elétrico. As vantagens do Stirling solar em relação às células fotovoltaicas são a maior eficiência na conversão da luz solar em eletricidade e uma vida útil mais longa. Os sistemas de prato parabólico oferecem a maior eficiência entre as tecnologias CSP. O Big Dish de 50 kW em Canberra , Austrália, é um exemplo dessa tecnologia.

Uma torre de energia solar usa uma série de refletores de rastreamento ( helióstatos ) para concentrar a luz em um receptor central no topo de uma torre. As torres de energia podem alcançar maior eficiência (conversão térmica em eletricidade) do que os esquemas CSP de rastreamento linear e melhor capacidade de armazenamento de energia do que as tecnologias de prato stirling. A usina de energia solar PS10 e a usina de energia solar PS20 são exemplos dessa tecnologia.

Sistemas híbridos

Um sistema híbrido combina (C) PV e CSP entre si ou com outras formas de geração, como diesel, vento e biogás . A forma combinada de geração pode permitir que o sistema module a produção de energia em função da demanda ou, pelo menos, reduza a natureza flutuante da energia solar e o consumo de combustível não renovável. Os sistemas híbridos são mais freqüentemente encontrados em ilhas.

Sistema CPV / CSP
Um novo sistema híbrido solar CPV / CSP foi proposto, combinando concentrador fotovoltaico com a tecnologia não-fotovoltaica de energia solar concentrada, ou também conhecido como energia solar térmica concentrada.
Sistema integrado de ciclo solar combinado (ISCC)
A estação de energia Hassi R'Mel na Argélia é um exemplo de combinação de CSP com uma turbina a gás, onde uma matriz de calha parabólica CSP de 25 megawatts complementa uma usina de turbina a gás de ciclo combinado muito maior de 130 MW . Outro exemplo é a estação de energia Yazd, no Irã.
Coletor solar híbrido térmico fotovoltaico (PVT)
Também conhecido como PV / T híbrido, converte a radiação solar em energia térmica e elétrica. Tal sistema combina um módulo solar (PV) com um coletor térmico solar de forma complementar.
Fotovoltaicos concentrados e térmicos (CPVT)
Um sistema híbrido térmico fotovoltaico concentrado é semelhante a um sistema PVT. Ele usa energia fotovoltaica concentrada (CPV) em vez da tecnologia fotovoltaica convencional e combina com um coletor térmico solar.
Sistema a diesel fotovoltaico
Ele combina um sistema fotovoltaico com um gerador a diesel . Combinações com outras energias renováveis são possíveis e incluem turbinas eólicas .
PV- sistema termoelétrico
Dispositivos termoelétricos ou "termovoltaicos" convertem uma diferença de temperatura entre materiais diferentes em uma corrente elétrica. As células solares usam apenas a parte de alta frequência da radiação, enquanto a energia térmica de baixa frequência é desperdiçada. Várias patentes sobre o uso de dispositivos termoelétricos em conjunto com células solares foram registradas.

A ideia é aumentar a eficiência do sistema combinado solar / termoelétrico para converter a radiação solar em eletricidade útil.

Desenvolvimento e implantação

Evolução da produção de energia solar por região
Parcela da produção de eletricidade solar, 2019
Implantação de energia solar
Capacidade em GW por Tecnologia
100
200
300
400
500
600
700
2007
2010
2013
2016
2019
Implantação mundial de energia solar por tecnologia desde 2006

     Solar PV     CSP - Solar térmico     

Crescimento da energia solar fotovoltaica em escala semi-logarítmica desde 1992

Geração mundial de eletricidade por fonte em 2018. A geração total foi de 26,7 PWh .

  Carvão (38%)
  Gás natural (23%)
  Hydro (16%)
  Nuclear (10%)
  Vento (5%)
  Óleo (3%)
  Solar (2%)
  Biocombustíveis (2%)
  Outro (1%)
Geração de eletricidade solar
Ano Energia ( TWh ) % Do total
2004 2,6 0,01%
2005 3,7 0,02%
2006 5.0 0,03%
2007 6,8 0,03%
2008 11,4 0,06%
2009 19,3 0,10%
2010 31,4 0,15%
2011 60,6 0,27%
2012 96,7 0,43%
2013 134,5 0,58%
2014 185,9 0,79%
2015 253,0 1,05%
2016 328,2 1,31%
2017 442,6 1,73%
2019 724,1 2,68%
Fontes :

Primeiros dias

O desenvolvimento inicial de tecnologias solares a partir da década de 1860 foi impulsionado pela expectativa de que o carvão logo se tornaria escasso, como os experimentos de Augustin Mouchot . Charles Fritts instalou o primeiro painel solar fotovoltaico no telhado do mundo, usando células de selênio com eficiência de 1% , em um telhado da cidade de Nova York em 1884. No entanto, o desenvolvimento de tecnologias solares estagnou no início do século 20 em face do aumento da disponibilidade, economia, e utilidade de carvão e petróleo . Em 1974, estimou-se que apenas seis residências particulares em toda a América do Norte eram totalmente aquecidas ou resfriadas por sistemas funcionais de energia solar. O embargo do petróleo de 1973 e a crise energética de 1979 causaram uma reorganização das políticas de energia em todo o mundo e trouxeram atenção renovada para o desenvolvimento de tecnologias solares. As estratégias de implantação se concentraram em programas de incentivo, como o Federal Photovoltaic Utilization Program nos EUA e o Sunshine Program no Japão. Outros esforços incluíram a formação de centros de pesquisa nos Estados Unidos (SERI, agora NREL ), Japão ( NEDO ) e Alemanha ( Fraunhofer ISE ). Entre 1970 e 1983, as instalações de sistemas fotovoltaicos cresceram rapidamente, mas a queda dos preços do petróleo no início dos anos 1980 moderou o crescimento da energia fotovoltaica de 1984 a 1996.

Meados da década de 1990 ao início de 2010

Em meados da década de 1990, o desenvolvimento de centrais solares residenciais e comerciais em telhados , bem como de centrais fotovoltaicas em escala de serviços públicos , começou a acelerar novamente devido a problemas de fornecimento de petróleo e gás natural, preocupações com o aquecimento global e a melhoria da posição econômica do PV em relação a outras tecnologias de energia. No início de 2000, a adoção de tarifas feed-in - um mecanismo de política que dá prioridade às energias renováveis ​​na rede e define um preço fixo para a eletricidade gerada - levou a um alto nível de segurança de investimento e a um número crescente de implantações fotovoltaicas na Europa.

Status atual

Por vários anos, o crescimento mundial da energia solar fotovoltaica foi impulsionado pela implantação na Europa , mas desde então mudou para a Ásia, especialmente China e Japão , e para um número crescente de países e regiões em todo o mundo, incluindo, mas não se limitando a, Austrália , Canadá , Chile , Índia , Israel , México , África do Sul , Coreia do Sul , Tailândia , e Estados Unidos . Em 2012, Tokelau tornou-se o primeiro país a ser totalmente alimentado por células fotovoltaicas, com um sistema de 1 MW usando baterias para alimentação noturna.

O crescimento mundial da energia fotovoltaica foi em média de 40% ao ano de 2000 a 2013 e a capacidade instalada total atingiu 303 GW no final de 2016, com a China tendo as instalações mais cumulativas (78 GW) e Honduras tendo a maior porcentagem teórica de uso anual de eletricidade que poderia ser gerado por energia solar fotovoltaica (12,5%). Os maiores fabricantes estão localizados na China.

A energia solar concentrada (CSP) também começou a crescer rapidamente, aumentando sua capacidade quase dez vezes de 2004 a 2013, embora de um nível inferior e envolvendo menos países do que a energia solar fotovoltaica. No final de 2013, a capacidade CSP cumulativa mundial atingiu 3.425 MW.

Previsões

Implantações anuais reais de energia solar fotovoltaica versus previsões da IEA para o período de 2002-2016. As previsões subestimaram ampla e consistentemente o crescimento real.

Em 2010, a Agência Internacional de Energia previu que a capacidade solar fotovoltaica global poderia atingir 3.000 GW ou 11% da geração de eletricidade global projetada até 2050 - o suficiente para gerar 4.500  TWh de eletricidade. Quatro anos depois, em 2014, a agência projetou que, em seu cenário de "altas energias renováveis", a energia solar poderia fornecer 27% da geração global de eletricidade até 2050 (16% de PV e 11% de CSP).

De acordo com um estudo de 2021, o potencial global de geração de eletricidade de painéis solares em telhados é estimado em 27 PWh por ano a um custo que varia de $ 40 (Ásia) a $ 240 por MWh (EUA, Europa). Sua realização prática, entretanto, dependerá da disponibilidade e do custo de soluções escalonáveis ​​de armazenamento de eletricidade.

Centrais fotovoltaicas

A Desert Sunlight Solar Farm é uma usina de energia de 550 MW em Riverside County, Califórnia , que usa módulos solares de película fina de CdTe feitos pela First Solar . Em novembro de 2014, a Fazenda Solar Topaz de 550 megawatts era a maior usina fotovoltaica do mundo. Isso foi superado pelo complexo Solar Star de 579 MW . A maior estação de energia fotovoltaica do mundo é a Pavagada Solar Park , Karnataka, Índia , com uma capacidade de geração de 2.050 MW.

As maiores estações de energia fotovoltaica em fevereiro de 2020
Nome País Capacidade
MW p
Geração
GWh pa
Tamanho
km 2
Ano Ref
Parque Solar Pavagada Índia 2.050 53 2017
Parque Solar do Deserto Tengger China 1.547 43 2016
Parque Solar Bhadla Índia 1.515 40 2017
Kurnool Ultra Mega Solar Park Índia 1.000 24 2017
Base Datong Solar Power Top Runner China 1.000 2016
Parque Solar Longyangxia Dam China 850 23 2015
Rewa Ultra Mega Solar Índia 750 2018
Projeto de energia solar Kamuthi Índia 648 10,1 2016
Estrela Solar (I e II) Estados Unidos 579 1.664 13 2015
Topaz Solar Farm Estados Unidos 550 1.301 24,6 2014

Centrais de concentração de energia solar

Ivanpah Solar Electric Generating System com as três torres sob carga durante fevereiro de 2014, com a Cordilheira Clark vista à distância

As usinas comerciais de energia solar concentrada (CSP), também chamadas de "estações de energia solar térmica", foram desenvolvidas pela primeira vez na década de 1980. O Ivanpah Solar Power Facility de 377 MW , localizado no deserto de Mojave, na Califórnia, é o maior projeto de usina solar térmica do mundo. Outras grandes usinas CSP incluem a Solnova Solar Power Station (150 MW), a estação de energia solar Andasol (150 MW) e a Extresol Solar Power Station (150 MW), todas na Espanha. A principal vantagem do CSP é a capacidade de adicionar armazenamento térmico de forma eficiente, permitindo o despacho de eletricidade por um período de até 24 horas. Como o pico de demanda de eletricidade ocorre normalmente por volta das 17h, muitas usinas de energia CSP usam de 3 a 5 horas de armazenamento térmico.

Maiores centrais térmicas solares operacionais
Nome Capacidade
( MW )
Localização Notas
Ivanpah Solar Power Facility 392 Deserto de Mojave , Califórnia , EUA Em operação desde fevereiro de 2014. Localizado a sudoeste de Las Vegas .
Sistemas de geração de energia solar 354 Deserto de Mojave, Califórnia, EUA Encomendado entre 1984 e 1991. Coleção de 9 unidades.
Projeto Solar Mojave 280 Barstow , Califórnia, EUA Concluído em dezembro de 2014
Estação Geradora de Solana 280 Gila Bend , Arizona , EUA Concluído em outubro de 2013
Inclui um armazenamento de energia térmica de 6 horas
Projeto de Energia Solar Genesis 250 Blythe , Califórnia, EUA Concluído em abril de 2014
Solaben Solar Power Station 200 Logrosán , Espanha Concluído em 2012–2013
Noor I 160 Marrocos Concluído 2016
Solnova Solar Power Station 150 Sevilha , Espanha Concluído em 2010
Estação de energia solar Andasol 150 Granada , Espanha Concluído em 2011. Inclui um armazenamento de energia térmica de 7,5h.
Extresol Solar Power Station 150 Torre de Miguel Sesmero , Espanha Concluído 2010-2012
Extresol 3 inclui um armazenamento de energia térmica de 7,5h
Para uma lista mais detalhada, fornecida e completa, consulte: Lista de centrais solares térmicas # Artigo operacional ou correspondente.

Economia

Custo por watt

Lei de Swanson - a curva de aprendizado PV
Solar PV - LCOE para a Europa até 2020 (em euro-cts. Por kWh )
Capacidade fotovoltaica econômica vs custo de instalação nos Estados Unidos com e sem o Crédito Fiscal de Investimento (ITC) federal

Os fatores de custo típicos para energia solar incluem os custos dos módulos, a estrutura para mantê-los, fiação, inversores, custo de mão de obra, qualquer terreno que possa ser necessário, a conexão à rede, manutenção e a insolação solar que o local receberá.

Os sistemas fotovoltaicos não usam combustível e os módulos duram normalmente de 25 a 40 anos. Assim, os custos de capital constituem a maior parte do custo da energia solar. Os custos de operação e manutenção de novas usinas solares em grande escala nos Estados Unidos são estimados em 9% do custo da eletricidade fotovoltaica e 17% do custo da eletricidade solar térmica. Os governos criaram vários incentivos financeiros para encorajar o uso de energia solar, como programas de tarifas feed-in . Além disso, os padrões de portfólio renovável impõem um mandato do governo para que as concessionárias gerem ou adquiram uma certa porcentagem de energia renovável, independentemente do aumento dos custos de aquisição de energia.

Preços de instalação atuais

Preços de sistema fotovoltaico em escala de serviço público
País Custo ($ / W) Ano e referências
Austrália 2.0 2013
China 1,4 2013
França 2,2 2013
Alemanha 1,4 2013
Itália 1,5 2013
Japão 2,9 2013
Reino Unido 1,9 2013
Estados Unidos 0,70 2020

Em 2021, o custo da energia solar residencial de 2 a 4 dólares / watt (mas as telhas solares custam muito mais) e os custos da energia solar foram em torno de $ 1 / watt.

Produtividade por localização

A produtividade da energia solar em uma região depende da irradiância solar , que varia ao longo do dia e é influenciada pela latitude e pelo clima . Também depende da temperatura e das condições locais de sujeira .

Os locais com maior irradiância solar anual encontram-se nos trópicos e subtrópicos áridos. Os desertos situados em latitudes baixas geralmente têm poucas nuvens e podem receber luz do sol por mais de dez horas por dia. Esses desertos quentes formam o Cinturão Solar Global que circunda o mundo. Este cinturão consiste em extensas faixas de terra no norte da África , sul da África , sudoeste da Ásia , Oriente Médio e Austrália , bem como nos desertos muito menores da América do Sul e do Norte . O deserto do Saara oriental da África , também conhecido como deserto da Líbia , foi considerado o lugar mais ensolarado da Terra, de acordo com a NASA.

Diferentes medidas de irradiância solar ( irradiância normal direta, irradiância horizontal global) são mapeadas abaixo:

Custo nivelado de eletricidade

A indústria fotovoltaica adotou o custo nivelado de eletricidade (LCOE) como unidade de custo. A energia elétrica gerada é vendida em unidades de quilowatt-hora (kWh). Como regra geral, e dependendo da insolação local , 1 watt-pico de capacidade solar fotovoltaica instalada gera cerca de 1 a 2 kWh de eletricidade por ano. Isso corresponde a um fator de capacidade de cerca de 10–20%. O produto do custo local da eletricidade e da insolação determina o ponto de equilíbrio para a energia solar. A Conferência Internacional sobre Investimentos Solares Fotovoltaicos, organizada pela EPIA , estimou que os sistemas fotovoltaicos vão pagar os seus investidores em 8 a 12 anos. Como resultado, desde 2006 tem sido econômico para os investidores instalar energia fotovoltaica gratuitamente em troca de um contrato de compra de energia de longo prazo . Cinqüenta por cento dos sistemas comerciais nos Estados Unidos foram instalados dessa maneira em 2007 e mais de 90% em 2009.

Shi Zhengrong disse que, a partir de 2012, a energia solar não subsidiada já era competitiva com os combustíveis fósseis na Índia, Havaí, Itália e Espanha. Ele disse: "Estamos em um ponto de inflexão. As fontes de energia renováveis ​​como a solar e a eólica não são mais um luxo dos ricos. Eles agora estão começando a competir no mundo real sem subsídios". “A energia solar poderá competir sem subsídios com as fontes convencionais de energia em metade do mundo até 2015”.

Palo Alto Califórnia assinou um contrato de compra no atacado em 2016 que garantiu energia solar por 3,7 centavos de dólar por quilowatt-hora. E na ensolarada Dubai, eletricidade gerada por energia solar em grande escala vendida em 2016 por apenas 2,99 centavos de dólar por quilowatt-hora - "competitiva com qualquer forma de eletricidade baseada em fósseis - e mais barata que a maioria". Em 2020, o projeto do PNUD "Melhoria da Resiliência Rural no Iêmen" (ERRY) - que usa microrredes solares de propriedade da comunidade - conseguiu cortar os custos de energia para apenas 2 centavos por hora (enquanto a eletricidade gerada a diesel custa 42 centavos por hora). Em outubro de 2020, o custo nivelado não subsidiado de eletricidade para energia solar em escala de serviço público era de cerca de US $ 36 / MWh.

Paridade da grade

A paridade da rede, o ponto em que o custo da eletricidade fotovoltaica é igual ou mais barato do que o preço da energia da rede , é mais facilmente alcançada em áreas com sol abundante e altos custos de eletricidade, como na Califórnia e no Japão . Em 2008, o custo nivelado da eletricidade para energia solar fotovoltaica foi de $ 0,25 / kWh ou menos na maioria dos países da OCDE . No final de 2011, o custo com carga total estava previsto cair abaixo de $ 0,15 / kWh para a maior parte da OCDE e atingir $ 0,10 / kWh nas regiões mais ensolaradas. Esses níveis de custo estão impulsionando três tendências emergentes: integração vertical da cadeia de suprimentos, originação de contratos de compra de energia (PPAs) por empresas de energia solar e risco inesperado para empresas tradicionais de geração de energia, operadores de rede e fabricantes de turbinas eólicas .

A paridade da rede foi alcançada pela primeira vez na Espanha em 2013, no Havaí e em outras ilhas que usam combustível fóssil ( combustível diesel ) para produzir eletricidade, e a maioria dos EUA deve atingir a paridade da rede em 2015.

Em 2007, o engenheiro-chefe da General Electric previu paridade da rede sem subsídios em partes ensolaradas dos Estados Unidos por volta de 2015; outras empresas previram uma data anterior: o custo da energia solar ficará abaixo da paridade da rede para mais da metade dos clientes residenciais e 10% dos clientes comerciais na OCDE , desde que os preços da eletricidade da rede não diminuam até 2010.

Autoconsumo

Em casos de autoconsumo de energia solar, o tempo de retorno é calculado com base em quanta eletricidade não é comprada da rede. No entanto, em muitos casos, os padrões de geração e consumo não coincidem e parte ou toda a energia é realimentada na rede. A eletricidade é vendida e, em outros momentos, quando a energia é retirada da rede, a eletricidade é comprada. Os custos relativos e preços obtidos afetam a economia. Em muitos mercados, o preço pago pela eletricidade FV vendida é significativamente inferior ao preço da eletricidade comprada, o que incentiva o autoconsumo. Além disso, incentivos de autoconsumo separados têm sido usados, por exemplo, na Alemanha e na Itália. A regulamentação de interação com a rede também incluiu limitações de alimentação da rede em algumas regiões da Alemanha com grandes quantidades de capacidade fotovoltaica instalada. Ao aumentar o autoconsumo, a alimentação da rede pode ser limitada sem restrições , o que desperdiça eletricidade.

Uma boa combinação entre geração e consumo é a chave para um alto autoconsumo. A combinação pode ser melhorada com baterias ou consumo de eletricidade controlável. No entanto, as baterias são caras e a lucratividade pode exigir a prestação de outros serviços além do aumento do autoconsumo. Tanques de armazenamento de água quente com aquecimento elétrico com bombas de calor ou resistências podem fornecer armazenamento de baixo custo para autoconsumo de energia solar. Cargas deslocáveis, como máquinas de lavar louça, secadoras e máquinas de lavar, podem fornecer consumo controlável com apenas um efeito limitado sobre os usuários, mas seu efeito sobre o autoconsumo de energia solar pode ser limitado.

Preços e incentivos de energia

O propósito político das políticas de incentivo para PV é facilitar uma implantação inicial em pequena escala para começar a fazer a indústria crescer, mesmo onde o custo do PV está significativamente acima da paridade da rede, para permitir que a indústria alcance as economias de escala necessárias para alcançar a rede paridade. As políticas são implementadas para promover a independência energética nacional, a criação de empregos de alta tecnologia e a redução das emissões de CO 2 . Três mecanismos de incentivo são frequentemente usados ​​em combinação como subsídios ao investimento: as autoridades reembolsam parte do custo de instalação do sistema, a concessionária de eletricidade compra eletricidade fotovoltaica do produtor sob um contrato plurianual a uma taxa garantida e certificados de energia renovável solar (SRECs )

Descontos

Com os subsídios ao investimento, o encargo financeiro recai sobre o contribuinte, enquanto com as tarifas feed-in o custo extra é distribuído entre as bases de clientes das concessionárias. Embora o subsídio ao investimento possa ser mais simples de administrar, o principal argumento a favor das tarifas feed-in é o incentivo à qualidade. Os subsídios ao investimento são pagos em função da capacidade nominal do sistema instalado e são independentes de seu rendimento de energia real ao longo do tempo, recompensando assim a superavaliação de energia e tolerando baixa durabilidade e manutenção. Algumas empresas de eletricidade oferecem descontos a seus clientes, como a Austin Energy, no Texas , que oferece US $ 2,50 / watt instalado até US $ 15.000.

Medição de internet

A medição líquida , ao contrário de uma tarifa feed-in , requer apenas um medidor, mas deve ser bidirecional.

Na medição líquida, o preço da eletricidade produzida é o mesmo que o preço fornecido ao consumidor, e o consumidor é cobrado pela diferença entre a produção e o consumo. A medição líquida geralmente pode ser feita sem alterações nos medidores de eletricidade padrão , que medem com precisão a energia em ambas as direções e relatam automaticamente a diferença, e porque permite que proprietários de residências e empresas gerem eletricidade em um momento diferente do consumo, usando efetivamente a rede como um bateria de armazenamento gigante. Com a medição líquida, os déficits são faturados a cada mês, enquanto os superávits são rolados para o mês seguinte. As melhores práticas pedem rolagem perpétua de créditos de kWh. Os créditos excedentes após o encerramento do serviço são perdidos ou pagos a uma taxa que varia de atacado a varejo ou acima, assim como podem ser créditos anuais excedentes. Em Nova Jersey, os créditos anuais em excesso são pagos com base na taxa de atacado, já que os créditos restantes quando um cliente encerra o serviço.

Tarifas feed-in (FIT)

Com as tarifas feed-in , o encargo financeiro recai sobre o consumidor. Eles recompensam o número de quilowatts-hora produzidos durante um longo período de tempo, mas como a taxa é definida pelas autoridades, pode resultar em pagamento excessivo percebido. O preço pago por quilowatt-hora sob uma tarifa feed-in excede o preço da eletricidade da rede. A medição líquida refere-se ao caso em que o preço pago pela concessionária é igual ao preço cobrado.

A complexidade das aprovações na Califórnia, Espanha e Itália impediu um crescimento comparável ao da Alemanha, embora o retorno sobre o investimento seja melhor. Em alguns países, incentivos adicionais são oferecidos para sistemas fotovoltaicos integrados à construção (BIPV) em comparação com PV autônomo:

  • França + EUR 0,16 / kWh (em comparação com semi-integrado) ou + EUR 0,27 / kWh (em comparação com o independente)
  • Itália + EUR 0,04–0,09 kWh
  • Alemanha + EUR 0,05 / kWh (apenas fachadas)

Créditos de energia renovável solar (SRECs)

Alternativamente, os certificados de energia renovável solar (SRECs) permitem um mecanismo de mercado para definir o preço do subsídio de eletricidade gerada por energia solar. Neste mecanismo, é definida a meta de produção ou consumo de energia renovável, sendo a concessionária (mais tecnicamente a Entidade Servidora de Carga) obrigada a adquirir energia renovável ou ser multada (Pagamento de Compliance Alternativo ou ACP). O produtor é creditado por um SREC para cada 1.000 kWh de eletricidade produzida. Se a concessionária compra este SREC e o desativa, evita pagar o ACP. Em princípio, este sistema fornece a energia renovável mais barata, uma vez que todas as instalações solares são elegíveis e podem ser instaladas na maioria dos locais econômicos. As incertezas sobre o valor futuro dos SRECs levaram a mercados de contratos SREC de longo prazo para dar clareza aos seus preços e permitir que os desenvolvedores de energia solar pré-vendam e protejam seus créditos.

Os incentivos financeiros para energia fotovoltaica diferem entre os países, incluindo Austrália , China , Alemanha , Israel , Japão e Estados Unidos e até mesmo entre os estados dentro dos EUA.

O governo japonês, por meio de seu Ministério de Comércio e Indústria Internacional, executou um programa de subsídios bem-sucedido de 1994 a 2003. No final de 2004, o Japão liderava o mundo em capacidade fotovoltaica instalada, com mais de 1,1  GW .

Em 2004, o governo alemão introduziu o primeiro sistema de tarifa feed-in em grande escala, sob a Lei de Energia Renovável da Alemanha , que resultou em um crescimento explosivo de instalações fotovoltaicas na Alemanha. No início, o FIT era mais de 3x o preço de varejo ou 8x o preço industrial. O princípio por trás do sistema alemão é um contrato de taxa fixa de 20 anos. O valor dos novos contratos está programado para diminuir a cada ano, de forma a incentivar a indústria a repassar os custos menores aos usuários finais. O programa teve mais sucesso do que o esperado, com mais de 1 GW instalado em 2006, e a pressão política está aumentando para diminuir a tarifa para diminuir a carga futura sobre os consumidores.

Posteriormente, Espanha , Itália , Grécia - que tiveram um sucesso inicial com instalações térmicas solares domésticas para necessidades de água quente - e a França introduziram tarifas feed-in. Nenhum replicou a redução programada de FIT em novos contratos, porém, tornando o incentivo alemão relativamente menos e menos atraente em comparação com outros países. Califórnia, Grécia, França e Itália têm 30–50% mais insolação do que a Alemanha, o que os torna financeiramente mais atraentes.

Integração de grade

Construção de tanques de sal que fornecem armazenamento eficiente de energia térmica para que a produção possa ser fornecida após o pôr do sol e a produção possa ser programada para atender aos requisitos da demanda. A Estação Geradora Solana de 280 MW foi projetada para fornecer seis horas de armazenamento de energia. Isso permite que a planta gere cerca de 38% de sua capacidade nominal ao longo de um ano.
Armazenamento de energia térmica . A planta Andasol CSP usa tanques de sal fundido para armazenar energia solar.
Hidroeletricidade de armazenamento bombeado (PSH). Esta instalação em Geesthacht , Alemanha, também inclui um painel solar.

A esmagadora maioria da eletricidade produzida em todo o mundo é usada imediatamente, pois o armazenamento é geralmente mais caro e porque os geradores tradicionais podem se adaptar à demanda. Tanto a energia solar quanto a eólica são energias renováveis ​​variáveis , o que significa que toda a produção disponível deve ser obtida sempre que estiver disponível, movendo-se através das linhas de transmissão para onde possa ser usada agora . Uma vez que a energia solar não está disponível à noite, armazenar sua energia é potencialmente uma questão importante, especialmente fora da rede e para futuros cenários de energia 100% renovável com disponibilidade contínua de eletricidade.

A eletricidade solar é inerentemente variável e previsível por hora do dia, localização e estações. Além disso, a energia solar é intermitente devido aos ciclos diurno / noturno e ao clima imprevisível. O quanto a energia solar representa um desafio especial em qualquer concessionária de eletricidade varia significativamente. Em um utilitário de pico de verão , a energia solar se adapta bem às demandas de resfriamento diurno. Nos utilitários de pico de inverno , a energia solar desloca outras formas de geração, reduzindo seus fatores de capacidade .

Em um sistema elétrico sem armazenamento de energia na rede , a geração de combustíveis armazenados (carvão, biomassa, gás natural, nuclear) deve aumentar e diminuir em reação ao aumento e queda da eletricidade solar (ver carga após a usina ). Enquanto as usinas hidrelétricas e a gás natural podem responder rapidamente às mudanças na carga, carvão, biomassa e usinas nucleares geralmente levam um tempo considerável para responder à carga e só podem ser programadas para seguir a variação previsível. Dependendo das circunstâncias locais, além de cerca de 20–40% da geração total, as fontes intermitentes conectadas à rede, como a solar, tendem a exigir investimento em alguma combinação de interconexões da rede , armazenamento de energia ou gerenciamento do lado da demanda . A integração de grandes quantidades de energia solar com equipamentos de geração existentes causou problemas em alguns casos. Por exemplo, na Alemanha, Califórnia e Havaí, sabe-se que os preços da eletricidade ficam negativos quando a energia solar está gerando muita energia, substituindo os contratos de geração de carga de base existentes .

A hidroeletricidade convencional funciona muito bem em conjunto com a energia solar; a água pode ser retida ou liberada de um reservatório, conforme necessário. Onde um rio adequado não está disponível, a hidroeletricidade de armazenamento bombeado usa energia solar para bombear água para um reservatório alto em dias ensolarados, então a energia é recuperada à noite e com mau tempo, liberando água através de uma usina hidrelétrica para um reservatório baixo onde o o ciclo pode começar novamente. Este ciclo pode perder 20% da energia para ineficiências de ida e volta, isso mais os custos de construção adicionam-se às despesas de implementação de altos níveis de energia solar.

As usinas de energia solar concentrada podem usar armazenamento térmico para armazenar energia solar, como em sais fundidos de alta temperatura. Esses sais são um meio de armazenamento eficaz porque são de baixo custo, têm uma alta capacidade de calor específica e podem fornecer calor a temperaturas compatíveis com os sistemas de energia convencionais. Este método de armazenamento de energia é utilizado, por exemplo, pela central Solar Two , permitindo-lhe armazenar 1,44  TJ no seu reservatório de 68 m 3 , o suficiente para fornecer potência total por cerca de 39 horas, com uma eficiência de cerca de 99% .

Em sistemas fotovoltaicos autônomos, as baterias são tradicionalmente usadas para armazenar o excesso de eletricidade. Com o sistema de energia fotovoltaico conectado à rede , o excesso de eletricidade pode ser enviado para a rede elétrica . Os programas de medição líquida e tarifas de alimentação dão a esses sistemas um crédito pela eletricidade que produzem. Este crédito compensa a eletricidade fornecida pela rede quando o sistema não pode atender à demanda, efetivamente negociando com a rede em vez de armazenar o excesso de eletricidade. Os créditos são normalmente acumulados mês a mês e qualquer excedente restante é liquidado anualmente. Quando a energia eólica e solar são uma pequena fração da energia da rede, outras técnicas de geração podem ajustar sua produção de forma adequada, mas à medida que essas formas de energia variável aumentam, um equilíbrio adicional na rede é necessário. Como os preços estão caindo rapidamente, os sistemas fotovoltaicos usam cada vez mais baterias recarregáveis ​​para armazenar um excedente para ser usado mais tarde à noite. As baterias utilizadas para grelha de armazenamento pode estabilizar a rede eléctrica por nivelamento cargas de pico de cerca de uma hora ou mais. No futuro, baterias menos caras podem desempenhar um papel importante na rede elétrica, pois podem ser carregadas durante os períodos em que a geração excede a demanda e alimentar a rede com sua energia armazenada quando a demanda é maior do que a geração.

As tecnologias de bateria comuns usadas nos sistemas fotovoltaicos domésticos de hoje incluem a bateria de chumbo-ácido regulada por válvula - uma versão modificada das baterias convencionais de chumbo-ácido , níquel-cádmio e baterias de íon-lítio . As baterias de chumbo-ácido são atualmente a tecnologia predominante usada em sistemas fotovoltaicos residenciais de pequena escala, devido à sua alta confiabilidade, baixa autodescarga e custos de investimento e manutenção, apesar de vida útil mais curta e menor densidade de energia. As baterias de íon-lítio têm o potencial de substituir as baterias de chumbo-ácido em um futuro próximo, pois estão sendo intensamente desenvolvidas e os preços mais baixos são esperados devido às economias de escala proporcionadas por grandes instalações de produção, como a Gigafactory 1 . Além disso, as baterias de íon-lítio de carros elétricos plug-in podem servir como futuros dispositivos de armazenamento em um sistema de veículo para rede . Como a maioria dos veículos fica estacionada em média 95% do tempo, suas baterias podem ser usadas para permitir que a eletricidade flua do carro para as linhas de força e vice-versa. Outras baterias recarregáveis ​​usadas para sistemas fotovoltaicos distribuídos incluem baterias de sódio-enxofre e vanádio redox , dois tipos proeminentes de um sal fundido e uma bateria de fluxo , respectivamente.

A combinação de energia eólica e solar fotovoltaica tem a vantagem de que as duas fontes se complementam porque os horários de pico de operação de cada sistema ocorrem em horários diferentes do dia e do ano. A geração de energia de tais sistemas de energia híbridos solares é, portanto, mais constante e flutua menos do que cada um dos dois subsistemas componentes. A energia solar é sazonal, particularmente em climas norte / sul, longe do equador, sugerindo a necessidade de armazenamento sazonal de longo prazo em um meio como o hidrogênio ou hidrelétrica bombeada. O Instituto de Tecnologia de Fornecimento de Energia Solar da Universidade de Kassel testou uma usina de energia combinada ligando energia solar, eólica, biogás e hidreletricidade de armazenamento bombeado para fornecer energia de acompanhamento de carga de fontes renováveis.

A pesquisa também é realizada neste campo da fotossíntese artificial . Envolve o uso de nanotecnologia para armazenar energia eletromagnética solar em ligações químicas, dividindo a água para produzir hidrogênio combustível ou então combinando com dióxido de carbono para fazer biopolímeros como o metanol . Muitos grandes projetos de pesquisa nacionais e regionais sobre fotossíntese artificial estão agora tentando desenvolver técnicas integrando captura de luz aprimorada, métodos de coerência quântica de transferência de elétrons e materiais catalíticos baratos que operam em uma variedade de condições atmosféricas. Pesquisadores seniores no campo defenderam a política pública de um Projeto Global de Fotossíntese Artificial para tratar de questões críticas de segurança energética e sustentabilidade ambiental.

Impactos ambientais

Parte do Senftenberg Solarpark , uma usina de energia solar fotovoltaica localizada em antigas áreas de mineração a céu aberto perto da cidade de Senftenberg , no leste da Alemanha. A Fase 1 de 78 MW da usina foi concluída em três meses.

Ao contrário das tecnologias baseadas em combustíveis fósseis , a energia solar não leva a nenhuma emissão prejudicial durante a operação, mas a produção dos painéis leva a alguma quantidade de poluição.

Gases de efeito estufa

As emissões de gases de efeito estufa do ciclo de vida da energia solar estão na faixa de 22 a 46 gramas (g) por quilowatt-hora (kWh), dependendo se a energia solar térmica ou solar fotovoltaica está sendo analisada, respectivamente. Com isso sendo potencialmente reduzido para 15 g / kWh no futuro. Para comparação (de médias ponderadas), uma usina elétrica a gás de ciclo combinado emite cerca de 400-599 g / kWh, uma usina elétrica a óleo 893 g / kWh, uma usina elétrica a carvão 915-994 g / kWh e um alta temperatura geotérmica . usina 91–122 g / kWh. A intensidade de emissão do ciclo de vida de energia hídrica , eólica e nuclear é menor do que a solar em 2011, conforme publicado pelo IPCC e discutido no artigo Emissões de gases de efeito estufa do ciclo de vida de fontes de energia . Semelhante a todas as fontes de energia em que as emissões totais do ciclo de vida residem principalmente na fase de construção e transporte, a mudança para energia de baixo carbono na fabricação e transporte de dispositivos solares reduziria ainda mais as emissões de carbono. BP Solar possui duas fábricas construídas pela Solarex (uma em Maryland, a outra na Virgínia) nas quais toda a energia usada para fabricar painéis solares é produzida por painéis solares. Um sistema de 1 quilowatt elimina a queima de aproximadamente 170 libras de carvão, 300 libras de dióxido de carbono de serem liberados na atmosfera e economiza até 400 litros (105 US gal) de consumo de água mensalmente.

O Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA ( NREL ), ao harmonizar as estimativas díspares de emissões de GEE do ciclo de vida para energia solar fotovoltaica, descobriu que o parâmetro mais crítico era a insolação solar do local: fatores de emissão de GEE para energia solar fotovoltaica são inversamente proporcionais à insolação . Para um local com insolação de 1700 kWh / m2 / ano, típico do sul da Europa, os pesquisadores do NREL estimaram as emissões de GEE de 45 g CO
2
e / kWh. Usando as mesmas premissas, em Phoenix, EUA, com insolação de 2.400 kWh / m2 / ano, o fator de emissão de GEE seria reduzido para 32 g de CO 2 e / kWh.

O Comissário Parlamentar para o Meio Ambiente da Nova Zelândia concluiu que a energia solar fotovoltaica teria pouco impacto nas emissões de gases de efeito estufa do país. O país já gera 80 por cento de sua eletricidade a partir de recursos renováveis ​​(principalmente hidroeletricidade e geotérmica) e o uso nacional de eletricidade atinge o pico nas noites de inverno, enquanto a geração solar atinge o pico nas tardes de verão, o que significa que uma grande absorção de energia solar fotovoltaica acabaria substituindo outros geradores renováveis ​​antes dos fósseis - usinas movidas a combustível.

A fabricação de painéis solares requer trifluoreto de nitrogênio (NF 3 ), que é um potente gás de efeito estufa e com o aumento da produção de PV seu uso aumentou mais de 1000% nos últimos 25 anos.

Reembolso de energia

O tempo de retorno de energia (EPBT) de um sistema de geração de energia é o tempo necessário para gerar tanta energia quanto é consumida durante a produção e operação vitalícia do sistema. Devido ao aprimoramento das tecnologias de produção, o tempo de retorno do investimento tem diminuído constantemente desde a introdução dos sistemas fotovoltaicos no mercado de energia. Em 2000, o tempo de retorno de energia dos sistemas fotovoltaicos foi estimado em 8 a 11 anos e em 2006 foi estimado em 1,5 a 3,5 anos para sistemas fotovoltaicos de silício cristalino e 1–1,5 anos para tecnologias de filme fino (Europa do Sul). Esses números caíram para 0,75–3,5 anos em 2013, com uma média de cerca de 2 anos para sistemas PV e CIS de silício cristalino.

Outra medida econômica, intimamente relacionada ao tempo de retorno de energia, é a energia devolvida sobre a energia investida (EROEI) ou retorno sobre o investimento energético (EROI), que é a relação entre a eletricidade gerada e a energia necessária para construir e manter o equipamento. (Isso não é o mesmo que o retorno econômico sobre o investimento (ROI), que varia de acordo com os preços locais de energia, subsídios disponíveis e técnicas de medição.) Com vida útil esperada de 30 anos, o EROEI de sistemas fotovoltaicos está na faixa de 10 a 30, gerando energia suficiente ao longo de suas vidas para se reproduzir muitas vezes (6–31 reproduções) dependendo do tipo de material, equilíbrio do sistema (BOS) e localização geográfica do sistema.

Uso de água

A energia solar inclui as usinas com menor consumo de água por unidade de eletricidade (fotovoltaica) e também as usinas com maior consumo de água (concentração de energia solar com sistemas de refrigeração úmida).

As usinas fotovoltaicas usam muito pouca água para as operações. O consumo de água do ciclo de vida para operações em escala de serviço público é estimado em 45 litros (12 galões americanos) por megawatt-hora para painéis solares fotovoltaicos de tela plana. Apenas a energia eólica, que praticamente não consome água durante as operações, tem uma intensidade de consumo de água menor.

As usinas de concentração solar com sistemas de refrigeração úmida, por outro lado, apresentam as maiores intensidades de consumo de água do que qualquer tipo convencional de usina elétrica; apenas usinas de combustível fóssil com captura e armazenamento de carbono podem ter intensidades de água mais altas. Um estudo de 2013 comparando várias fontes de eletricidade descobriu que o consumo médio de água durante as operações de concentração de usinas solares com resfriamento úmido foi de 3,1 metros cúbicos por megawatt-hora (810 US gal / MWh) para usinas de torres de energia e 3,4 m 3 / MWh ( 890 US gal / MWh) para plantas de cocho. Isso foi maior do que o consumo operacional de água (com torres de resfriamento) para energia nuclear a 2,7 m 3 / MWh (720 US gal / MWh), carvão a 2,0 m 3 / MWh (530 US gal / MWh) ou gás natural a 0,79 m 3 / MWh (210 US gal / MWh). Um estudo de 2011 do Laboratório Nacional de Energia Renovável chegou a conclusões semelhantes: para usinas de energia com torres de resfriamento, o consumo de água durante as operações foi de 3,27 m 3 / MWh (865 US gal / MWh) para calha CSP, 2,98 m 3 / MWh (786 US gal / MWh) para torre CSP, 2,60 m 3 / MWh (687 US gal / MWh) para carvão, 2,54 m 3 / MWh (672 US gal / MWh) para nuclear e 0,75 m 3 / MWh (198 US gal / MWh ) para o gás natural. A Solar Energy Industries Association observou que a usina Nevada Solar One através de CSP consome 3,2 m 3 / MWh (850 US gal / MWh). A questão do consumo de água é agravada porque as plantas CSP estão frequentemente localizadas em ambientes áridos onde a água é escassa.

Em 2007, o Congresso dos Estados Unidos instruiu o Departamento de Energia a relatar maneiras de reduzir o consumo de água por CSP. O relatório subsequente observou que a tecnologia de resfriamento a seco estava disponível que, embora mais cara para construir e operar, poderia reduzir o consumo de água por CSP em 91 a 95 por cento. Um sistema de resfriamento híbrido úmido / seco poderia reduzir o consumo de água em 32 a 58 por cento. Um relatório de 2015 do NREL observou que das 24 usinas de energia CSP em operação nos EUA, 4 usavam sistemas de refrigeração a seco. Os quatro sistemas resfriados a seco foram as três usinas de energia em Ivanpah Solar Power Facility perto de Barstow, Califórnia , e o Projeto de Energia Solar Genesis em Riverside County, Califórnia . Dos 15 projetos CSP em construção ou desenvolvimento nos EUA em março de 2015, 6 eram sistemas úmidos, 7 eram sistemas secos, 1 híbrido e 1 não especificado.

Embora muitas usinas termelétricas mais antigas com resfriamento de passagem única ou lagoas de resfriamento usem mais água do que CSP, o que significa que mais água passa por seus sistemas, a maior parte da água de resfriamento retorna ao corpo de água disponível para outros usos, e eles consomem menos água por evaporação. Por exemplo, a central elétrica a carvão média nos EUA com resfriamento único usa 138 m 3 / MWh (36.350 US gal / MWh), mas apenas 0,95 m 3 / MWh (250 US gal / MWh) (menos de um por cento) é perdido por evaporação. Desde a década de 1970, a maioria das usinas de energia dos EUA tem usado sistemas de recirculação, como torres de resfriamento, em vez de sistemas de passagem única.

Uso da terra, desmatamento e oposição residencial

A densidade de energia de superfície do ciclo de vida da energia solar é estimada em 6,63 W / m2, que é duas ordens de magnitude menor do que os combustíveis fósseis e a energia nuclear . O fator de capacidade do PV também é relativamente baixo, geralmente abaixo de 15%. Como resultado, o PV requer quantidades muito maiores de superfície terrestre para produzir a mesma quantidade nominal de energia que as fontes com densidade de potência superficial e fator de capacidade mais elevados. De acordo com um estudo de 2021, obter 80% do PV até 2050 exigiria até 2,8% da massa terrestre total na União Europeia e até 5% em países como Japão e Coréia do Sul. A ocupação dessas grandes áreas para fazendas fotovoltaicas provavelmente gerará oposição residencial, bem como levará ao desmatamento, remoção de vegetação e conversão de terras agrícolas.

Uma análise do ciclo de vida publicada em 2014 do uso da terra para várias fontes de eletricidade concluiu que a implementação em larga escala de energia solar e eólica reduz potencialmente os impactos ambientais relacionados à poluição. O estudo descobriu que a pegada de uso da terra, dada em metros quadrados-ano por megawatt-hora (m 2 a / MWh), foi mais baixa para vento, gás natural e PV de telhado, com 0,26, 0,49 e 0,59, respectivamente, e seguido por energia solar fotovoltaica em escala de utilidade com 7,9. Para CSP, a pegada foi de 9 e 14, usando calhas parabólicas e torres solares, respectivamente. A maior pegada foi de usinas movidas a carvão com 18 m 2 a / MWh. O estudo excluiu energia nuclear e biomassa.

As fazendas fotovoltaicas industriais usam uma grande quantidade de espaço devido à densidade de potência de superfície relativamente baixa e, ocasionalmente, enfrentam oposição dos residentes locais, especialmente em países com alta densidade populacional ou quando a instalação envolve a remoção de árvores ou arbustos existentes. A construção do Cleve Hill Solar Park em Kent ( Reino Unido ) composto de 880.000 painéis de até 3,9 m de altura em 490 hectares de terra enfrentou oposição com o argumento de não apenas "destruir a paisagem local", mas também de íons de lítio em grande escala instalação de bateria que foi considerada propensa a uma explosão. A fazenda solar dividiu o Greenpeace (que se opôs) e Amigos da Terra (que o apoiou). Preocupações semelhantes sobre o desmatamento foram levantadas quando grandes quantidades de árvores foram removidas para a instalação de fazendas solares em Nova Jersey e outros.

Outros problemas

Uma questão que muitas vezes levanta preocupações é o uso de cádmio (Cd), um metal pesado tóxico que tem a tendência de se acumular nas cadeias alimentares ecológicas . É usado como componente semicondutor em células solares CdTe e como camada tampão para certas células CIGS na forma de sulfeto de cádmio . A quantidade de cádmio usada em células solares de película fina é relativamente pequena (5–10 g / m 2 ) e com a reciclagem adequada e técnicas de controle de emissão em vigor, as emissões de cádmio da produção do módulo podem ser quase zero. As tecnologias fotovoltaicas atuais levam a emissões de cádmio de 0,3–0,9 microgramas / kWh ao longo de todo o ciclo de vida. A maioria dessas emissões surge por meio do uso da energia do carvão para a fabricação dos módulos, e a combustão do carvão e da linhita leva a emissões muito mais altas de cádmio. As emissões de cádmio do ciclo de vida do carvão são 3,1 microgramas / kWh, linhita 6,2 e gás natural 0,2 microgramas / kWh.

Em uma análise de ciclo de vida , observou-se que se a eletricidade produzida por painéis fotovoltaicos fosse usada para fabricar os módulos em vez da eletricidade da queima de carvão, as emissões de cádmio do uso de energia do carvão no processo de fabricação poderiam ser totalmente eliminadas.

No caso dos módulos de silício cristalino , o material de solda , que une os fios de cobre das células, contém cerca de 36 por cento de chumbo (Pb). Além disso, a pasta usada para a impressão da tela dos contatos frontais e traseiros contém vestígios de Pb e, às vezes, de Cd também. Estima-se que cerca de 1.000 toneladas métricas de Pb foram usadas para 100 gigawatts de módulos solares c-Si. No entanto, não há necessidade fundamental de chumbo na liga de solda.

Algumas fontes da mídia relataram que usinas de energia solar concentrada feriram ou mataram um grande número de pássaros devido ao intenso calor dos raios solares concentrados. Este efeito adverso não se aplica a usinas de energia solar fotovoltaica, e algumas das alegações podem ter sido exageradas ou exageradas.

Enquanto o tempo médio de vida do painel solar é estimado em mais de 20 anos, altas temperaturas, areia ou clima podem acelerar significativamente o processo de envelhecimento. Devido à grande necessidade de espaço para energia solar, estima-se que a quantidade de lixo tóxico (por exemplo, cádmio) que precisa ser processado é 300 vezes maior por unidade de energia do que para energia nuclear . A reciclagem é um grande desafio devido ao grande volume de resíduos. Em 2013, uma fazenda solar Solyndra, sediada nos Estados Unidos, deixou mais de 5.670 toneladas métricas de resíduos perigosos após sua falência após 4 anos de operação.

A fabricação de painéis solares requer elementos de terras raras , produzindo resíduos radioativos de baixo nível durante o processo de mineração.

O estudo da Agência Internacional de Energia projeta que a demanda por recursos minerados, como lítio , grafite , cobalto , cobre , níquel e terras raras aumentará 4x até 2040 e observa que o fornecimento desses materiais é insuficiente para atender à demanda imposta por implantações em larga escala esperadas de tecnologias solares descentralizadas e energia eólica, e atualizações de rede necessárias. De acordo com um estudo de 2018, um aumento significativo da energia solar fotovoltaica exigiria um aumento de 3.000% no fornecimento desses metais até 2060, solar térmico - 6.000%, exigindo um aumento significativo nas operações de mineração.

Questões políticas

A maioria dos painéis fotovoltaicos é fabricada na China usando silício proveniente de uma determinada região de Xinjiang , o que levanta preocupações sobre violações dos direitos humanos ( campos de internamento de Xinjang ), bem como a dependência da cadeia de abastecimento.

Tecnologias emergentes

Concentrador fotovoltaico

Módulos de CPV em rastreadores solares de eixo duplo em Golmud, China

Os sistemas concentradores fotovoltaicos (CPV) empregam a luz solar concentrada em superfícies fotovoltaicas para fins de produção de energia elétrica . Ao contrário dos sistemas fotovoltaicos convencionais, ele usa lentes e espelhos curvos para focar a luz do sol em células solares de múltiplas junções pequenas, mas altamente eficientes . Concentradores solares de todas as variedades podem ser usados, e geralmente são montados em um rastreador solar para manter o ponto focal na célula conforme o sol se move no céu. Os concentradores solares luminescentes (quando combinados com uma célula solar fotovoltaica) também podem ser considerados um sistema CPV. Os fotovoltaicos concentrados são úteis porque podem melhorar drasticamente a eficiência dos painéis solares fotovoltaicos.

Além disso, a maioria dos painéis solares em naves espaciais também são feitos de células fotovoltaicas de multi-junção de alta eficiência para derivar eletricidade da luz solar quando operando no Sistema Solar interno .

Floatovoltaics

Os flutuadores são uma forma emergente de sistemas fotovoltaicos que flutuam na superfície de canais de irrigação, reservatórios de água, lagos de pedreira e reservatórios de rejeitos. Vários sistemas existem na França, Índia, Japão, Coréia, Reino Unido e Estados Unidos. Esses sistemas reduzem a necessidade de valiosas áreas de terra, economizam água potável que de outra forma seria perdida por evaporação e mostram uma maior eficiência de conversão de energia solar , pois os painéis são mantidos em uma temperatura mais fria do que em terra. Embora não sejam flutuantes, outras instalações de uso duplo com energia solar incluem a pesca .

Torre Solar Updraft

A torre de atualização solar (SUT) é um conceito de projeto para uma usina de energia renovável para gerar eletricidade a partir do calor solar de baixa temperatura. A luz do sol aquece o ar por baixo de uma estrutura colectora com telhado em forma de estufa muito ampla que rodeia a base central de uma torre de chaminé muito alta . A convecção resultante causa uma corrente ascendente de ar quente na torre pelo efeito chaminé . Esse fluxo de ar impulsiona as turbinas eólicas , colocadas na corrente ascendente da chaminé ou ao redor da base da chaminé, para produzir eletricidade . Em meados de 2018, embora vários modelos de protótipo tenham sido construídos, nenhuma unidade prática em escala real estava em operação. Versões ampliadas de modelos de demonstração são planejadas para gerar energia significativa. Eles também podem permitir o desenvolvimento de outras aplicações, como agricultura ou horticultura, extração ou destilação de água ou melhoria da poluição do ar urbano

Células solares perovskita

Células solares de perovskita 1.jpg

Uma célula solar de perovskita (PSC) é um tipo de célula solar que inclui um composto estruturado de perovskita, mais comumente um chumbo orgânico-inorgânico híbrido ou material à base de haleto de estanho, como a camada ativa de coleta de luz. Os materiais de perovskita, como os halogenetos de metilamônio e chumbo-césio, todos inorgânicos, são baratos de produzir e simples de fabricar. As eficiências das células solares de dispositivos em escala de laboratório usando esses materiais aumentaram de 3,8% em 2009 para 25,5% em 2020 em arquiteturas de junção única e, em células tandem baseadas em silício, para 29,15%, excedendo a eficiência máxima alcançada em células solares de silício de junção. As células solares de perovskita foram, portanto, a tecnologia solar de mais rápido avanço em 2016. Com o potencial de atingir eficiências ainda maiores e custos de produção muito baixos, as células solares de perovskita se tornaram comercialmente atraentes. Os principais problemas e temas de pesquisa incluem sua estabilidade a curto e longo prazo.

Veja também

Referências

Fontes

Leitura adicional

  • Sivaram, Varun (2018). Domando o Sol: inovação para aproveitar a energia solar e alimentar o planeta . Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-03768-6.

links externos