Solar Noturno – Como Diodos Termorradiativos Podem Em Breve Eliminar a Necessidade de Baterias

Uma das fontes de energia mais abundantes e naturais que temos é a energia solar. Todos os dias, o sol nasce e ilumina‑nos, oferecendo calor e eletricidade.

Mesmo áreas isoladas, remotas e rurais podem aproveitar essa fonte de energia, já que a maioria das regiões do planeta recebe luz solar em certa medida. Não é necessário aproveitar toda essa fonte inesgotável; menos de 10% da energia solar já é suficiente para nos ajudar a atender à demanda global de energia.

Como fonte de energia renovável, não gera emissões nocivas de gases de efeito estufa e é bem adaptada à rede elétrica e às baterias.

O uso da luz solar não é totalmente novo. Humanos já utilizavam a luz do sol já no século VII a.C. para acender fogueiras refletindo os raios solares em objetos brilhantes.

No entanto, os avanços tecnológicos tornaram a captura da luz solar para gerar eletricidade e armazená‑la para uso posterior altamente eficiente.

As tecnologias solares capturam radiação eletromagnética, que é a luz emitida pelo sol, e a convertem em formas úteis de energia. Dois principais tipos de tecnologias solares são a fotovoltaica (PV), utilizada em painéis solares, e a energia solar concentrada térmica (CSP).

Os painéis solares são atualmente o meio mais popular de produzir eletricidade a partir da energia solar. Os painéis PV têm uma vida útil de 20 a 25 anos, e requerem manutenção mínima após a instalação, além de limpezas periódicas.

Normalmente feitos de um material semicondutor como o silício, quando o material é exposto aos fótons da luz solar, ele libera elétrons e produz uma carga elétrica. Essa carga gera uma corrente elétrica, que é captada pelos painéis solares e, em seguida, um inversor a converte em corrente alternada (CA), que alimenta seus dispositivos.

O efeito fotovoltaico (PV) foi realmente descoberto décadas atrás, em 1839, quando o físico francês Edmond Becquerel experimentava uma célula feita de eletrodos metálicos em uma solução condutora e constatou que a célula gerava mais eletricidade quando exposta à luz.

Então, em 1954, a tecnologia PV nasceu com o desenvolvimento da célula PV de silício, que podia absorver e converter a energia do sol em energia para operar equipamentos elétricos cotidianos.

Hoje, os sistemas de energia solar estão integrados não apenas em residências e empresas, mas tornaram‑se uma importante combinação de fontes de energia renovável para fornecer energia.

A energia solar realmente tem o potencial de reduzir significativamente a eletricidade, gerar energia de backup ao combiná‑la com armazenamento, contribuir para uma rede elétrica resiliente, operar em escalas pequenas e grandes com eficiência semelhante, e criar empregos e impulsionar o crescimento econômico.

Enquanto isso, em termos de custo, além dos óbvios custos de hardware, há também custos indiretos como licenças, financiamento e instalação de sistemas solares, além de outras despesas operacionais dessas empresas, que afetam o preço da energia solar.

Embora a energia solar tenha benefícios enormes, o desafio permanece em termos de intermitência. A quantidade de luz solar disponível, afinal, varia conforme o horário, a localização e a estação.

Por exemplo, a fotovoltaica gera energia principalmente ao meio‑dia, quando o sol está mais forte. Embora sistemas de armazenamento mais eficientes e confiáveis nos permitam usar essa fonte de energia ao longo do dia, mesmo quando o sol se põe ou está nublado, os pesquisadores estão buscando alternativas melhores.

Em 2022, pesquisadores da Universidade de New South Wales (UNSW) fizeram um grande avanço nessa área, que lhes permitiu produzir eletricidade a partir da energia solar mesmo durante a noite. Essa tecnologia está agora sendo levada ao espaço.

Energia Solar à Noite

Então, há dois anos, em maio, uma equipe da UNSW fez esse grande avanço em tecnologia de energia renovável ao produzir eletricidade a partir da energia solar à noite.

A equipe de pesquisadores da School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering (SPREE) produziu eletricidade a partir do calor emitido pela Terra como luz infravermelha (IL), de forma semelhante ao resfriamento noturno ao irradiar para o espaço.

Para isso, a equipe criou um dispositivo semicondutor chamado diodo termorradiativo. Um diodo é um dispositivo semicondutor que permite a corrente fluir em uma direção enquanto a restringe na outra. Eles convertem corrente alternada (CA) em corrente contínua pulsante (CC).

Um diodo termorradiativo (TRD), por sua vez, produz eletricidade ao emitir IL. Ele pode gerar energia a partir de qualquer superfície quente e, portanto, tem a capacidade de fornecer energia solar à noite. O diodo termorradiativo desenvolvido pela equipe foi feito com materiais usados em óculos de visão noturna (NV) para gerar eletricidade a partir da luz infravermelha emitida.

Quanto à capacidade de energia, ela era muito pequena, 100.000 vezes menor do que a fornecida por um painel solar. Apesar disso, os pesquisadores acreditavam que o resultado poderia ser aprimorado no futuro. Segundo o líder da equipe, o Professor Associado Ned Ekins‑Daukes:

Fizemos uma demonstração inequívoca de energia elétrica a partir de um diodo termorradiativo.

Ele explicou como, usando câmeras de imagem térmica, podemos ver a quantidade de radiação à noite. No entanto, isso ocorre apenas no infravermelho (radiação eletromagnética com comprimentos de onda entre 760 nm e 100.000 nm) e não no comprimento de onda visível (entre 380 e 780 nanômetros). Assim, a equipe criou um dispositivo “que pode gerar energia elétrica a partir da emissão de radiação térmica infravermelha”.

Em última análise, o processo ainda está aproveitando a energia solar, disse o Professor Ekins‑Daukes. Durante o dia, a luz solar atinge nosso planeta, aquecendo‑o. Essa mesma energia irradia de volta ao vasto e frio espaço exterior à noite na forma de luz infravermelha. O conceito de diodo radiativo aproveita esse processo, que a equipe comprovou gerar eletricidade.

Sempre que há um fluxo de energia, podemos convertê‑lo entre diferentes formas.

– Líder da equipe Professor Ekins‑Daukes

Assim como desenvolvemos o processo artificial da fotovoltaica para a conversão direta da luz solar em eletricidade, de forma semelhante, com o processo termorradiativo, a energia que flui no infravermelho a partir de uma Terra quente foi desviada para o universo frio.

Além disso, assim como uma célula solar pode produzir eletricidade ao absorver a luz solar, o diodo termorradiativo produz eletricidade ao emitir luz infravermelha em um ambiente mais frio.

Em ambos os casos, a diferença de temperatura é o que nos permite gerar eletricidade.

– Co‑autora do artigo, Dra. Phoebe Pearce

O que antes era um processo teórico foi realizado praticamente pela equipe para confirmar que dispositivos especializados e muito mais eficientes podem ser criados no futuro para capturar a energia em escala muito maior.

O Prof. Ekins‑Daukes comparou a nova pesquisa à dos engenheiros da Bell Labs quando mostraram a primeira célula solar de silício prática, que tinha apenas cerca de 2% de eficiência. Percorremos um longo caminho desde então, agora sendo capazes de converter cerca de 23% da luz do sol em eletricidade.

Segundo o co‑autor Dr. Michael Nielsen:

Mesmo que a comercialização dessas tecnologias ainda esteja distante, estar no início de uma ideia em evolução é um lugar tão empolgante para estar como pesquisador.

Essa nova tecnologia, segundo os pesquisadores, pode encontrar muitas aplicações no futuro, incluindo alimentar dispositivos biônicos como corações artificiais que atualmente utilizam baterias que precisam ser substituídas regularmente. Assim, sua tecnologia inovadora pode potencialmente eliminar a necessidade de baterias em certos dispositivos ou ajudar a recarregá‑las.

Até agora, porém, o diodo radiativo foi capaz de gerar “relativamente muito baixa potência”. Tem sido um desafio detectar a energia, e ainda há cerca de uma década de pesquisa universitária a ser feita antes que a indústria o adote. Mas, em teoria, é possível que a tecnologia “finalmente produza cerca de 1/10 da potência de uma célula solar”.

Após a “demonstração inequívoca de energia elétrica”, a equipe começou a trabalhar com um novo material mais fácil de fabricar, visando, por sua vez, a escalabilidade.

Ao mesmo tempo, a equipe está trabalhando na aplicação de sua tecnologia em espaçonaves como satélites. Satélites alimentados por energia solar não são novidade; foram demonstrados pela primeira vez em 1958.

Alimentados por células solares, essas espaçonaves dependem de baterias durante as condições de eclipse. Portanto, os pesquisadores da UNSW estão agora aplicando a tecnologia para gerar energia para satélites enquanto orbitam na escuridão.

A tecnologia, que foi usada pela primeira vez no espaço, agora tem sido utilizada para produzir enormes quantidades de eletricidade a partir da energia solar para nossas casas e, de forma semelhante, o Prof. Ekins‑Daukes pretende “levantar o diodo radiativo ao espaço dentro dos próximos dois anos”.

Clique aqui para saber por que o aumento do uso de energia solar marca o início da era solar.

A Mudança para Energia Solar Limpa e Abundante

Devido ao fato de os painéis solares precisarem de luz solar para gerar energia e, portanto, não funcionarem à noite, muitas pesquisas e desenvolvimentos têm buscado soluções para esse problema.

Uma das maneiras de abordar isso é o armazenamento em baterias, que é usado para armazenar o excesso de produção de energia. Essa energia armazenada pode então ser usada sempre que necessário, à noite e em dias nublados. Exemplos como Tesla (TSLA ) Powerwall ou Generac PWRcell oferecem uma alternativa. Esses bancos de baterias funcionam como fontes de eletricidade off‑grid durante quedas de energia.

Outra forma é a medição líquida (net metering). Aqui, ter acesso a um programa de recompra de energia solar permite usar a rede elétrica local como sua bateria. Para gerar créditos na conta, você deve enviar o excesso de energia gerado pelos seus painéis solares durante o dia de volta à rede. Os créditos ganhos serão aplicados à sua conta de energia para cobrir o consumo noturno.

Pesquisadores chegaram a criar painéis solares que captam eletricidade do céu noturno. Por exemplo, células anti‑solares funcionam ao contrário dos painéis solares durante o dia. Também existem painéis acionados por fricção que convertem movimento em energia e aproveitam a radiação de superfícies quentes.

Recentemente, cientistas da Universidade de Stanford projetaram um novo tipo de painel solar para produzir eletricidade à noite. Para isso, integraram um gerador termelétrico nas células solares convencionais. Não só pode oferecer geração contínua de energia, como também melhora a eficiência durante o dia.

Depois, há a startup californiana Reflect Orbital, que compartilhou seu plano de vender luz solar à noite. Para alcançar isso, planeja usar uma constelação de satélites equipados com espelhos de mylar, que orbitarão a 370 milhas acima da superfície. Eles refletirão a luz solar sobre painéis solares na superfície da Terra.

Acreditamos que a luz solar é o novo petróleo, e o espaço está pronto para apoiar a infraestrutura energética.

– Co‑fundador da Reflect Orbital, Ben Nowack, no X (anteriormente Twitter)

Se analisarmos os números, entre as fontes de energia limpa, a solar está certamente liderando. 2023 foi, na verdade, um ano recorde para essa fonte de energia, pois o mundo instalou 447 GW de nova capacidade solar, impressionantes 78% de todo o acréscimo de capacidade renovável. Registrando um aumento de 87% em relação ao ano anterior, o mercado solar global registrou uma taxa de crescimento que não era vista desde 2010.

A maior parte desse crescimento foi impulsionada pela China, que é o maior mercado solar do mundo. Ela adicionou 253 GW de nova capacidade solar PV, um salto de 167%, e foi responsável por 57% da capacidade instalada global no ano passado.

Esse “crescimento inesperado” na energia solar total, segundo a Perspectiva Global de Mercado para Energia Solar 2024-2028, foi devido a um colapso de preço massivo de cerca de 50% nos módulos. Essa queda ocorreu devido a um aumento substancial nas capacidades de fabricação global de PV, que resultou em supercapacidades.

Além de pedidos de anos anteriores finalmente instalados em 2023, indivíduos, empresas e governos têm recorrido à energia solar como uma solução confiável e econômica para os altos preços de energia.

Com base na maior disponibilidade de produtos, melhorias de custos e nos inúmeros benefícios que a tecnologia oferece, o relatório prevê “um crescimento substancial da demanda por energia solar PV nos próximos anos”.

Empresas que Avançam o Setor de Energia Solar

Agora, vamos dar uma olhada em alguns nomes de destaque que têm adotado rotas alternativas para gerar energia.

Clearway Energy (CWEN ) (CWEN ) é uma dessas empresas que opera fazendas eólicas e usinas solares para fornecer energia limpa e renovável, enquanto Ormat Technologies (ORA ) foca na geração de energia geotérmica. Heliogen é outro nome nesse setor, e utiliza IA e tecnologia avançada de espelhos para concentrar a luz solar e gerar eletricidade. Enphase Energy (ENPH ) e Piedmont Lithium (ELVR ) lideram, por sua vez, o campo de armazenamento de energia.

#1. Bloom Energy

Esta empresa está usando tecnologia de célula de combustível de óxido sólido para gerar eletricidade confiável e eficiente. Ao usar seus servidores de energia para geração no local, a Bloom Energy (BE ) oferece uma alternativa mais limpa à geração tradicional de energia e reduz a dependência da rede.

No momento da redação, as ações da BE estão sendo negociadas a US$ 10,80, queda de 26,82% no ano, com capitalização de mercado de US$ 2,465 bilhões. A Bloom Energy tem um EPS (TTM) de -1,30 e um P/E (TTM) de -8,31. No segundo trimestre de 2024, a empresa relatou US$ 335,8 milhões em receita, um aumento de 11,5% em relação ao ano anterior. A margem bruta do trimestre foi de 20,4%, enquanto seu prejuízo operacional foi de US$ 23,1 milhões. A Bloom Energy também emitiu notas verdes conversíveis de 3% naquele período para fortalecer seu balanço.

Além disso, a empresa fez parceria com a líder em IA CoreWeave (CRWV ) para alimentar o data center de alto desempenho de propriedade da Chirisa Technology Parks. As células de combustível Bloom também alimentarão os data centers AWS de 20 MW da Silicon Valley Power. Segundo o CEO da Bloom, KR sridhar:

Agora é amplamente compreendido que a demanda por eletricidade deve superar em muito a oferta disponível pela rede. Isso apresenta à Bloom uma enorme oportunidade. Estamos vendo altos níveis de interesse comercial em nossos produtos e soluções. Continuamos a executar bem, avançar nossa tecnologia e expandir nossa equipe para o crescimento futuro.

#2. NextEra Energy

Com foco em solar, eólica e armazenamento em baterias, a NextEra tornou‑se uma das maiores produtoras de energia renovável. As ações da empresa de energia elétrica e infraestrutura energética estão atualmente sendo negociadas a US$ 83,85, alta de 38,05% no ano, o que coloca a capitalização de mercado da NextEra em US$ 172,27 bilhões. Seu EPS (TTM) é 3,67 e o P/E (TTM) é 22,85.

No 2T24, a empresa relatou um lucro líquido GAAP de US$ 1,622 bilhão enquanto adicionava mais de 3.000 MW de novos projetos de energia renovável e armazenamento ao seu backlog. Alguns meses atrás, sua subsidiária NextEra Energy (NEE ) Resources, juntamente com a Entergy, anunciou um acordo de desenvolvimento conjunto para acelerar a criação de até 4,5 GW de nova geração solar e projetos de armazenamento de energia.

Conclusão

O sol é um recurso de energia inesgotável e, quando combinado com tecnologias eficientes e avançadas, oferece grande potencial para atender à crescente demanda global de energia e enfrentar a questão das mudanças climáticas.

Como líder em ascensão da atual transição global para energia limpa, a indústria solar tem recebido muitos investimentos, superando todas as outras tecnologias de geração combinadas no ano passado e seu desenvolvimento. Tudo isso levou a inúmeras inovações em tecnologia solar, como células solares de rastreamento solar, células solares imprimíveis, janelas fotovoltaicas e, claro, geração de energia solar noturna, que pode ajudar a impulsionar a energia solar a se tornar a solução energética de longo prazo para as gerações futuras.

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