Watts por metro quadrado por dia Figura 1: Radiação solar média diária que incide na superfície terrestre

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1 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 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

2 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.

3 Sistema Fotovoltaico Padrão Figura 3: Módulos fotovoltaicos figura ilustrativa. 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 ( 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

4 DES da CNEA foi responsável pelo desenvolvimento e integração de painéis solares de alimentação. (Figura 2). MERCADO Evolução da Energia Solar Fotovoltaica Figura 2: Satélite SAC-D/Aquarius 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 , com uma taxa anual média de 49%, que se eleva a 72% considerando somente 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 Segue a Espanha com 10%, Itália e Japão com 9%, EUA com 6%, e um exemplo notável é o da República Checa com 5%,

5 onde virtualmente não existiam instalações em 2008 e chegaram a 2 GW em 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 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.

6 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 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 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.

7 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 Em uma primeira etapa, foi previsto o fornecimento de serviço a usuários e 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

8 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 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 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 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.

9 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.