A Busca por Energia Sustentável Conduz a Descobertas Inconvencionais

O consumo global de energia está aumentando a um ritmo acelerado. Em 2023, esse crescimento foi de 2,2%, comparado a uma média anual de 1,5% entre 2010 e 2019.

Esse ritmo mais rápido de consumo de energia é impulsionado principalmente pela China, que, com +6,6%, foi o dobro da média de 2010-2019. Outros contribuintes incluem Índia, Irã, Brasil, os Emirados Árabes Unidos, Argélia, Vietnã e Indonésia. Em contraste, o consumo de energia diminuiu no Japão, Coreia do Sul, África do Sul e na UE, e permaneceu estável nos EUA.

No geral, o consumo global de energia aumentou cerca de um terço desde 2000. Atualmente estimado em 580 milhões de terajoules, esse consumo anual global de energia é ainda projetado para alcançar 740 milhões de terajoules até 2040.

No entanto, a parte mais preocupante é que a grande maioria dessa energia—83%—vem de combustíveis fósseis, sendo o petróleo a maior fonte de energia, seguido por carvão e gás natural, que emitem enormes quantidades de CO2 na atmosfera.

Isso exige uma necessidade urgente de inovar em energia verde. Enquanto a energia renovável é esperada crescer, esse aumento é de apenas 4%, elevando-a para 6% do uso global de energia primária.

Então, nesse contexto de necessidade global de transformar o sistema energético, a energia solar surgiu como um potencial divisor de águas. Isso é porque a energia gerada pelo sol tem o potencial de alimentar todo o mundo e mais.

A Terra precisa de apenas algumas horas de energia solar para fornecer ao mundo inteiro a energia necessária para um ano inteiro.

É também a fonte de energia renovável mais limpa e abundante disponível. Além disso, traz a vantagem de descarbonizar, reduzir custos energéticos, ter um impacto ambiental muito menor e oferecer maior acesso e segurança energética.

Claro, há vários desafios associados à captação de energia solar; caso contrário, já a estaríamos utilizando extensivamente. Além do desafio principal da intermitência solar, já que o sol não brilha o dia todo, há desafios adicionais relacionados à localização, soluções de armazenamento e à tecnologia necessária para aproveitar essa energia.

Quando se trata de captar energia solar, existem algumas maneiras de capturar a radiação solar e convertê-la em energia. 

Um método é usar energia solar ativa, que envolve o uso de dispositivos elétricos ou mecânicos para converter a energia solar em outra forma de energia de forma ativa. Isso é alcançado através de fotovoltaicos (PV) ou Energia Solar Concentrada (CSP).

Na PV, a luz solar é convertida em eletricidade usando materiais semicondutores que exibem o efeito fotovoltaico. A tecnologia PV é mais comumente conhecida como painéis solares, que são um conjunto de células solares, cada uma contendo um semicondutor que cria uma corrente elétrica ao absorver a luz solar.

Na CSP, lentes e espelhos concentram a luz solar de uma grande área em uma área muito menor para gerar eletricidade. Fornos solares, que incluem diferentes tipos, como torres de energia solar e coletores parabólicos, são um exemplo de energia solar concentrada.

Outro método é usar energia solar passiva, que não utiliza dispositivos externos, mas aproveita o clima local. Por exemplo, projetar um edifício para receber quantidades desejáveis de luz solar e construir edifícios com isolamento térmico são exemplos desse método. Outros exemplos incluem telhados frios e telhados verdes.

No entanto, isso não é o fim das técnicas para utilizar energia solar. Dado seu vasto potencial, os pesquisadores estão sempre explorando maneiras novas de capturar energia solar e convertê-la em energia útil, bem como torná-la mais econômica e eficiente para que realmente possa ser útil em nossas vidas diárias. 

Gerando Eletricidade Solar a partir de Telefones e Carros  

Pesquisadores da Universidade de Oxford fizeram recentemente um desenvolvimento interessante no campo da tecnologia de energia solar. Sob essa tecnologia, a eletricidade solar pode ser gerada a partir das superfícies de carros e telefones móveis.

Fonte: Oxford University

Sim, você ouviu direito: em vez de instalar linhas e linhas de painéis solares à base de silício, pode-se gerar quantidades crescentes de eletricidade solar simplesmente através de objetos do dia a dia.

Essa inovação é possibilitada por um novo material gerador de energia revestido nas superfícies desses objetos. O material absorvedor de luz é fino e flexível o suficiente para ser aplicado em praticamente qualquer superfície. Essa abordagem revolucionária envolve empilhar várias camadas absorventes de luz em uma única célula solar. 

Para isso, cientistas do Departamento de Física da Universidade de Oxford desenvolveram uma técnica que lhes permitiu aproveitar uma gama mais ampla do espectro luminoso, gerando mais energia a partir da mesma quantidade de luz solar.

O material, perovskita de filme fino, também foi certificado independentemente pelo Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) do Japão, demonstrando mais de 27% de eficiência energética. Esses números correspondem ao desempenho das fotovoltaicas de silício, que são materiais geradores de energia tradicionais de camada única.

De acordo com os pesquisadores, após apenas cinco anos de experimentos usando a abordagem de múltiplas junções ou empilhamento, eles aumentaram a eficiência de conversão de energia em aproximadamente 21%. Isso significa que, a partir de uma eficiência inicial de cerca de 6%, agora podem converter mais de 22% da energia da luz solar.

Com o material já alcançando perto dos limites do que as fotovoltaicas de camada única de hoje podem alcançar, Dr Shuaifeng Hu, pesquisador pós-doutorando em Oxford, disse:

\”(Sua técnica) pode permitir que os dispositivos fotovoltaicos alcancem eficiências muito maiores, excedendo 45% (no futuro).\”

Além da eficiência energética, a versatilidade do material é outro fator crucial. O material é ultra-fino, com pouco mais de um mícron (0,001 mm) de espessura, o que o torna quase 150 vezes mais fino que uma lâmina de silício. As lâminas de silício geralmente têm espessura entre 0,5 mm e 400 mícrons (0,4 mm), enquanto a faixa de 2 e 25 mícrons é usada para fins científicos específicos.

Essa finura do novo material significa que pode ser aplicado não apenas a qualquer objeto comum e edifícios, mas essencialmente a quase qualquer superfície, ao contrário das fotovoltaicas existentes.

Ao usar os novos materiais para revestimento, Dr Junke Wang observou:

\”(Eles) mostraram que podemos replicar e superar o silício enquanto também ganhando flexibilidade. Isso é importante porque promete mais energia solar sem a necessidade de tantos painéis à base de silício ou fazendas solares especialmente construídas.\”

Essa nova abordagem é esperada a tornar a energia solar a forma mais sustentável de energia renovável e reduzir ainda mais o custo, que já caiu até 90% nos últimos 14 anos.

De acordo com o Fórum Econômico Mundial, em 2010, custava em média global de US$ 378 sem subsídios para gerar um megawatt-hora de eletricidade a partir de fotovoltaicas solares, valor que caiu para apenas US$ 68 em 2019. A energia solar agora é mais barata que o carvão e a energia nuclear e quase tão economicamente eficiente quanto a energia eólica onshore. Enquanto a energia eólica também viu uma diminuição de custos nesse período, a nuclear e o carvão aumentaram ou registraram uma leve queda.

Agora, inovações como a perovskita de filme fino prometem economias adicionais ao reduzir a necessidade de painéis de silício e fazendas solares construídas especificamente.

Segundo os pesquisadores, essa inovação mais recente pode se tornar uma indústria própria para fabricar materiais e gerar energia solar de forma barata e sustentável usando objetos existentes. 

‘Folha Artificial‘ para Produzir Combustível Limpo

Os cientistas não apenas tornam possível gerar eletricidade solar de forma barata usando objetos do dia a dia, mas também estão reconfigurando a fotossíntese e, por sua vez, revolucionando a forma como geramos combustíveis limpos.

Em 2019, pesquisadores da Universidade de Cambridge estabeleceram um novo marco ao criarem uma folha artificial produzindo gás de síntese simplesmente usando luz solar, dióxido de carbono e água. 

Fonte: Cambridge University

O gás de síntese (syngas) é um gás produzido a partir de combustíveis fósseis, uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono, e é usado para criar plásticos, produtos farmacêuticos, combustíveis e fertilizantes. Como estamos acostumados a produzir produtos que consumimos diariamente, é crucial que encontremos maneiras de \”produzi-lo de forma sustentável.\”

Surge então a folha artificial, que é um dispositivo neutro em carbono alimentado por luz solar que não libera CO2 na atmosfera. Além disso, apesar de funcionar com luz solar, a folha artificial ainda opera eficientemente em dias nublados e encobertos. 

Inspirados pela fotossíntese, um processo natural pelo qual as plantas utilizam a energia luminosa do sol para transformar dióxido de carbono e água em alimento, os pesquisadores combinaram dois absorvedores de luz na folha artificial com um catalisador de cobalto. Quando imersa em água, um dos absorvedores produz oxigênio com a ajuda do catalisador, enquanto o outro realiza a reação química, reduzindo água e CO2 em hidrogênio e monóxido de carbono, que formam o gás de síntese.

Porque os absorvedores de luz funcionam mesmo sob baixos níveis de luz solar, essa tecnologia pode ser usada o dia todo e em qualquer lugar do mundo.

Embora outros dispositivos de folha artificial tenham sido desenvolvidos, os pesquisadores de Cambridge observaram que eles produzem apenas hidrogênio, ao contrário de seu próprio dispositivo, que pode produzir gás de síntese devido à combinação de materiais e catalisadores que usaram.

O material usado para o catalisador molecular foi cobalto, que tem custo mais baixo, é abundante e melhor na produção de monóxido de carbono do que outros catalisadores como platina ou prata.

Enquanto isso, seus absorvedores de luz foram feitos a partir de perovskita em vez de silício ou materiais sensibilizados por corantes. Os absorvedores de luz de perovskita forneceram alta fotovoltagem e corrente elétrica para alimentar a reação química, que reduziu CO2 a CO.

O próximo passo após o gás de síntese é desenvolver um combustível líquido sustentável como substituto da gasolina. Em vez de produzir gás de síntese e então convertê-lo em combustível líquido, o estudo visa produzir o próprio combustível líquido a partir de dióxido de carbono e água.

Com a eletricidade capaz de atender apenas uma fração da demanda global total de energia, a gasolina sintética pode ser um desenvolvimento vital, disse o autor sênior Professor Erwin Reisner, do Departamento de Química de Cambridge, observando a \”grande demanda por combustíveis líquidos para alimentar transportes pesados, navegação e aviação de forma sustentável\”.

Nos últimos anos, Reisner tem trabalhado com seu grupo para desenvolver uma nova folha artificial que pode produzir imediatamente etanol e propanol limpos sem primeiro produzir gás de síntese. Isso tem sido alcançado ao desenvolver um catalisador à base de cobre — e paládio.

O primeiro autor do artigo, Dr. Motiar Rahaman, disse:

\”(Ser capaz de) produzir um combustível líquido prático apenas usando o poder do Sol\” (torna isso) um avanço empolgante que abre novas possibilidades em nosso trabalho.\”

Por enquanto, o dispositivo é apenas uma prova de conceito. Os pesquisadores estão trabalhando para otimizar as folhas para absorver melhor a luz solar, refinar o catalisador para converter mais luz solar em combustível e, finalmente, tornar o dispositivo escalável para produzir grandes volumes de combustível.

O Professor Reisner foi na verdade premiado com uma Cátedra da Royal Academy of Engineering em Tecnologias Emergentes no início deste ano. O prêmio de £2,5 milhões permitirá que sua equipe facilite a transição do laboratório para o mercado das tecnologias químicas solares.

Enquanto a equipe de Reisner trabalha para tornar seu produto escalável, Yimin Wu, professor de engenharia da Universidade de Waterloo, publicou outro artigo aproximadamente ao mesmo tempo da pesquisa sobre gás de síntese. Este artigo também criou uma ‘folha artificial‘ que converteu de forma econômica o CO2 nocivo em um combustível alternativo útil.

Novamente, inspirado pelo processo de fotossíntese, a folha artificial produziu metanol e oxigênio, ao contrário da planta natural, que produz glicose e oxigênio. 

O ingrediente chave aqui foi a óxido cuproso, um pó vermelho otimizado, que foi projetado para ter partículas com oito lados. Foi o resultado da adição de acetato de cobre, glicose, dodecil sulfato de sódio e hidróxido de sódio a água aquecida a uma temperatura específica. 

Quando misturado com água e exposto ao CO2, atuou como gatilho para outra reação química, produzindo oxigênio e convertendo CO2 em metanol. Um simulador solar foi usado para emitir luz branca. À medida que a solução era aquecida, a reação coletava metanol, que evaporava.

Pontos Quânticos para Criar Janelas Solares de Dupla Camada

Outro desenvolvimento neste campo tem sido pontos quânticos, que são pequenas partículas semicondutoras na faixa de 2-10 nanômetros. Seu pequeno tamanho lhes confere propriedades eletrônicas e ópticas únicas, tornando-os versáteis.

Em pesquisa no Laboratório Nacional de Los Alamos, pontos quânticos foram incorporados ao vidro das janelas para gerar eletricidade. Esses ‘designer‘ pontos quânticos absorvem luz solar e a convertem em energia sem afetar a transparência das janelas. 

Essa inovação permite essencialmente que edifícios inteiros se tornem geradores de energia solar sem a necessidade de painéis solares tradicionais, que são caros e ocupam muito espaço.

Fonte: Los Alamos National Laboratory

De acordo com o pesquisador principal Victor Klimov, as janelas de dupla camada baseadas em pontos quânticos oferecem uma abordagem inovadora para reduzir custos graças ao forte desempenho que pode ser alcançado com esses \”materiais de baixo custo e processáveis em solução.\”

Esse novo método não substitui a tecnologia PV atual. Coletores de luz solar eficazes são simplesmente adicionados aos painéis solares existentes. Eles também podem ser integrados como janelas semitransparentes na arquitetura de um edifício.

Embora os painéis fotovoltaicos atuais atinjam uma eficiência de cerca de 25%, os pontos quânticos oferecem o potencial de superar isso usando multiplicação de portadores.

Um painel solar fotovoltaico típico absorve um fóton de luz e libera um elétron, que se torna energia. No entanto, através da multiplicação de portadores e da incorporação de íons magnéticos de manganês, os painéis solares baseados em pontos quânticos produzem mais de dois elétrons para cada fóton que absorvem.

No entanto, no cerne desse avanço técnico está a \”divisão do espectro solar,\” que separa o processamento de fótons solares de alta e baixa energia. 

Isso foi alcançado ao incorporar íons de manganês em pontos quânticos para servir como impurezas altamente emissoras. Quando os pontos quânticos absorvem luz, as impurezas são ativadas, o que leva os íons de manganês a emitir luz em energias abaixo do início de absorção dos pontos quânticos.

Agora, para transformar uma janela em um coletor de luz solar luminescente em tandem, os pesquisadores depositam uma camada de pontos quânticos dopados com manganês altamente emissor na superfície da placa de vidro frontal. Enquanto isso, uma camada de pontos quânticos com selênio de cobre e índio foi depositada na superfície da placa traseira. 

Dessa forma, a camada frontal absorve as porções azul visível e ultravioleta do espectro solar, enquanto a camada inferior capta o restante. Uma vez absorvidos, os pontos quânticos reemitem fótons em comprimento de onda mais longo. A luz reemitida é guiada por reflexão interna total para as bordas de vidro da janela, onde as células solares integradas coletam a luz e a convertem em eletricidade.

Além disso, a equipe de Klimov também está explorando como os pontos quânticos podem ser usados para produzir amônia, que representa mais de 2% do uso global de energia. Nesta aplicação específica, eles estão usando pontos quânticos e luz solar para gerar \”elétrons livres\” em vez de luz via fotoemissão. 

Agora, vamos observar duas grandes empresas no setor de energia solar.

#1. NextEra Energy

Amplamente conhecida como líder no setor de energia renovável, a NextEra Energy (NEE ) registrou um lucro líquido de US$ 552 milhões e um lucro ajustado de US$ 865 milhões no segundo trimestre de 2024.

Eles adicionaram 3 GW à sua capacidade de energia renovável, incluindo desenvolvimentos solares significativos, projetando uma trajetória de ganhos ascendente até 2027 com expectativas de aumento anual dos lucros ajustados por ação.

#2. First Solar

A First Solar (FSLR ) se especializa na fabricação de painéis solares e na prestação de serviços abrangentes de usinas fotovoltaicas. Seu uso inovador da tecnologia de semicondutores de filme fino os diferencia na indústria solar.

Financeiramente, a First Solar reportou receitas de US$ 3,56 bilhões e lucro líquido de US$ 1,02 bilhão no último exercício fiscal. Seu foco em tecnologia sustentável e expansão internacional de mercado reforça sua posição estratégica no setor solar.

Conclusão

Essas inovações recentes marcam um grande e importante passo adiante na realização do pleno potencial da energia solar. A energia solar é um recurso limpo e renovável que oferece uma alternativa poderosa aos combustíveis fósseis, que poluem o meio ambiente.

Com a demanda global de energia prevista para aumentar no próximo ano e a energia solar sustentável disponível em abundância, é imperativo usar essa fonte ilimitada de energia limpa. No entanto, a energia solar atualmente representa uma porcentagem realmente baixa (única) da geração total global de eletricidade de todas as fontes. Isso ressalta a necessidade urgente de pesquisa contínua, desenvolvimento e colaboração entre governos e organizações para realmente impulsionar o uso da energia solar e alimentar todo o mundo.

Clique aqui para uma lista das principais ações de energia solar.