A Era Solar – Um Futuro Brilhante para a Humanidade

De Queimar Combustível a Transformar Luz em Relâmpago

Desde o amanhecer dos tempos, a energia tem sido o centro da civilização. Por maior parte disso, queimar coisas tem sido a principal fonte de energia, excluindo a simples força muscular (humana ou animal).

Desde as forjas primitivas derretendo bronze para fazer as primeiras armaduras e espadas até as usinas de energia modernas queimando carvão, óleo e gás, progredimos em complexidade. No entanto, a ideia básica permaneceu a mesma: o calor era usado para transformar material (como derreter minério em metal), incluindo transformar água em vapor para gerar eletricidade.

A tecnologia fotovoltaica mudou isso, permitindo pela primeira vez a produção de energia em larga escala sem peças móveis (o que até exclui a energia eólica).

Tal design tem vantagens tremendas, pois não há peças móveis, o que significa muito mais durabilidade da máquina associada. Além disso, é um sistema de geração de energia que cria eletricidade diretamente, em vez de outra forma de energia que precise ser convertida em eletricidade, como combustíveis fósseis e usinas nucleares, que ciclam de calor -> vapor -> energia.

Um Crescimento Tremendo

O mercado de energia solar cresceu massivamente nos últimos anos e ainda deve crescer 15,4% em CAGR nos EUA até 2030.

Fonte: Grand View Research

A adoção de energia solar no Ocidente é na verdade superada pelo crescimento global de energia solar, com a China liderando o caminho, pois é responsável por mais projetos de energia solar do que o restante do mundo combinado.

A China tem aumentado sua capacidade de energia renovável ano a ano, instalando mais energia solar entre 2023 e 2024 do que nos três anos anteriores combinados, e mais do que a capacidade total global instalada em 2023.

Isso colocou o gigante asiático no caminho para alcançar uma capacidade instalada de vento e solar de 1.200 GW até o final do ano, colocando-o seis anos à frente do objetivo do governo.
Energy Wind Down Media

Isso levou publicações importantes como The Economist a literalmente chamar de uma nova era:

Fonte: The Economist

Claro, a capa da Economist pode também ser um pouco prematura, pois tem uma longa história de estar errada, ou seja, a “maldição da capa da revista”.

Solar Térmico versus Fotovoltaico

Existem dois modos de produzir energia solar. O dominante agora é o fotovoltaico, que depende da capacidade do material semicondutor de gerar eletricidade quando atingido por fótons.

Fonte: EIA

Outra abordagem é usar espelhos para concentrar os raios do sol em um ponto e aquecê-lo a centenas de graus. A maioria das vezes, a luz está convergindo para uma torre que converte esse calor em eletricidade.

Fonte: University Of Maine

Os projetos de energia solar térmica foram populares no passado, mas encontraram problemas de rentabilidade, pois o calor intenso pode causar problemas técnicos. Os perigos para a vida selvagem, especialmente para os pássaros, também são um problema.

Enquanto isso, o progresso na fabricação de semicondutores e uma economia de escala crescente na produção de painéis solares levou a uma queda constante nos custos do fotovoltaico, que se tornaram 30 vezes mais baratos desde 1990.

Fonte: EIA

Como resultado, a tecnologia fotovoltaica agora domina a indústria solar.

De Polissilício a Painéis Solares Avançados

Hoje, os painéis solares são feitos de mais de 90% de tecnologia baseada em silício.

Fonte: EIA

Essa tecnologia, especialmente o silício policristalino, esteve à frente do desenvolvimento da indústria solar e do recente declínio dos custos (o silício monocristalino é mais durável, mas também menos eficiente em termos de custo).

No entanto, a tecnologia de polissilício está começando a atingir um ponto de retorno decrescente. Portanto, a indústria está procurando várias maneiras de aumentar a eficiência dos painéis solares.

Fonte: Clean Energy Review

Telureto de Cádmio

Uma alternativa ao silício mono ou policristalino é o telureto de cádmio. Devido à sua alta eficiência, é a única tecnologia fotovoltaica de película fina que é competitiva em termos de custo com o polissilício.

A tecnologia tem algumas vantagens importantes, mas também tem alguns problemas.

Seus principais benefícios são:

• Processo de fabricação mais simples, permitindo uma produção rápida com menos despesas de capital.
• Peso mais leve do que o silício.
• De acordo com o Departamento de Energia, sua fabricação produz 6 vezes menos carbono do que a do silício.
• A luz é absorvida de forma mais eficiente, com mais do espectro de luz solar utilizado.

A tecnologia, no entanto, depende do uso de grandes quantidades de cádmio e telúrio, ambos materiais tóxicos. Isso coloca em questão seu custo ecológico, com impacto de mineração e poluição por metais pesados a serem equilibrados com as emissões de carbono evitadas.

Outro problema é a disponibilidade de recursos. O telúrio é um mineral relativamente raro, quase tão raro quanto o platina. Portanto, pode ser difícil aumentar a produção de painéis solares de película fina com telureto de cádmio e substituir completamente a produção atual de silício, muito menos a expectativa de mais produção de painéis no futuro.

Em ambos os casos, limitações de recursos e risco de poluição, o manejo adequado do reciclagem e do ciclo de vida do produto será necessário.

Devido a essas limitações, essa tecnologia provavelmente permanecerá confinada a aplicações específicas, especialmente onde o peso da célula solar é um fator-chave, por exemplo, dispositivos vestíveis, mas também mobilidade, espaço, etc.).

Perovskita

A perovskita, um mineral de óxido de cálcio e titânio, é outro material investigado por seu potencial na energia fotovoltaica.

A tecnologia fez um progresso massivo nos últimos anos, com uma eficiência (quantidade de luz convertida em eletricidade) de protótipos de laboratório de apenas 3,8% em 2009 para atingir 33,9% em 2024 para um design da LONGi Green Energy Technology.

A vantagem da perovskita é seu baixo custo e a possibilidade de “imprimir” a célula solar. Um grande impulsionador do baixo custo é que pode ser produzida à temperatura ambiente, em comparação com o silício, que requer centenas de graus.

As células de perovskita também são flexíveis, abrindo novas aplicações como tetos de carros e drones. Além disso, absorve uma grande parte da luz do sol, levando a uma eficiência teórica mais alta.

O principal fator que limitou a adoção da perovskita é sua durabilidade. A maioria das células solares de perovskita dura apenas alguns anos. A possibilidade de vazamento de metais pesados, notadamente chumbo, também é uma preocupação.

No geral, as células solares de perovskita são uma tecnologia muito promissora, mas também uma que está apenas entrando no estágio comercial. Uma forma de acelerar sua adoção é provavelmente olhar para células tandem de silício-perovskita, como a desenvolvida pela LONGi.

Pontos Quânticos e Outros Efeitos Quânticos

A chave para melhorar a eficiência dos painéis solares é aumentar a quantidade de luz absorvida. Atualmente, o polissilício usado apenas absorve parte da luz visível e deixa de fora tanto a luz infravermelha (a maior parte da saída do sol) quanto a luz ultravioleta.

Fonte: QD Solar

Uma opção é usar pontos quânticos, nanopartículas com absorção de luz diferente dependendo do tamanho, a descoberta dos quais foi premiada com um Prêmio Nobel em 2023.

Os pontos quânticos poderiam ser especialmente eficientes na absorção da luz atualmente perdida pelos painéis solares de silício.

Portanto, enquanto as células solares convencionais provavelmente progredirão para um máximo de 30-35% de eficiência de conversão, as células solares de pontos quânticos têm um máximo teórico de 66% de eficiência.

Outros designs avançados poderiam aproveitar outros efeitos quânticos para aumentar a eficiência solar, por exemplo, resonadores em forma de arco usando o efeito Casimir e forças de Van der Waals para capturar luz.

Revestimento Avançado

A maioria dos esforços para melhorar a eficiência dos painéis solares se concentrou em química alternativa ao silício. Mudanças pequenas no design também podem desempenhar um papel.

Por exemplo, a empresa privada canadense SunDensity usa nano-revestimentos especiais para proteger os painéis solares da degradação induzida por UV em vez de converter a luz UV em mais eletricidade. A SunDensity também adquiriu recentemente o desenvolvedor de painéis solares de pontos quânticos QD Solar.

Fonte: QD Solar

Painéis Bifaciais e Suportes Móveis

A maioria dos painéis solares é projetada para absorver luz apenas de um lado, tornando muito importante que eles estejam inclinados perfeitamente em direção ao sol.

Os painéis solares bifaciais, por outro lado, são projetados para produzir luz vinda de ambos os lados do painel. Isso pode aumentar geralmente o rendimento de energia.