Potencial da utilização de células fotovoltaicas

POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR:

CÉLULAS FOTOVOLTAICAS E BIOMASSA

Resumo

Camila Agner D’Aquino e Aurélio de Andrade Souza

A energia solar é a forma de energia mais abundante e prontamente disponível na terra. As tecnologias para aproveitamento desta energia são as mais variadas possíveis, sendo que as células fotovoltaicas e a biomassa apresentam grande potencial de aplicação no Brasil. A eficiência de conversão da energia incidente em cada uma destas tecnologias é dependente de diversos fatores, sendo que somente este fato isolado não pode servir como ponto decisivo para escolha no investimento em um ou em outra. No entanto, é de extrema valia compreender o quanto de energia uma determinada área de aplicação de cada uma pode fornecer. Considerando-se valores comuns da aplicação de cada uma, obteve-se que um metro quadrado do cultivo de capim elefante resulta em 555 MJ de energia anual, enquanto que a aplicação de células fotovoltaicas com eficiência de 15% resulta em 780 MJ de energia anual. Esses dados podem servir como base para a discussão da diversificação da matriz energética nacional, de modo a se investir com maior qualidade.

INTRODUÇÃO

Mudanças climáticas, crise e segurança energética são temas atuais e relevantes. A busca por métodos mais eficientes e limpos de produção de energia estimula o mercado de energias renováveis, uma vez que a natureza é uma fonte generosa quando se trata de sol e vento. De acordo com a Agência Internacional de Energia (2015) [1], em 2012 o consumo mundial total de energia primária foi de 524,076 x 1015 BTU, ou seja, 153.591,46 GWh sendo que até 2050 essa demanda irá dobrar e, até o final do século, triplicar.

O sol é a maior de todas as fontes de energia limpas, sendo que a quantidade de energia que irradia na superfície terrestre em uma hora é maior do que o total de energia consumida no planeta em um ano e, anualmente, são depositados aproximadamente 120.000 TW de energia na Terra através da radiação solar.

Para que se possa tirar o melhor proveito dessa energia, deve-se entender como funcionam as rotas de captura, conversão e armazenamento da mesma nas diversas opções: células solares fotovoltaicas, combustível solar, biomassa, sistemas térmicos solares, entre outros [2]. Tanto a energia fotovoltaica quanto a biomassa são diretamente ligadas a disponibilidade de irradiação solar e são duas tecnologias limpas e renováveis. As duas tecnologias não somente pelo método de recuperação da energia armazenada, mas também pela eficiência de conversão da energia solar incidente em energia utilizável. Portanto, o objetivo deste artigo é comparar a eficiência de aproveitamento de luz solar em células solares fotovoltaicas e a partir da biomassa de plantas em uma área delimitada de 1 hectare.

Biomassa

Biomassa é um termo aplicado para toda matéria orgânica derivada de organismos vivos e apesar de, em sua maioria, estar associada a plantas, a biomassa também pode ser proveniente de algas e resíduos orgânicos (resíduos sólidos orgânicos, efluentes sanitários, resíduos agroindustriais, etc.). Nessas fontes, a energia solar é transformada em estados excitados através da absorção do fóton e então é armazenada nas ligações químicas que, quando quebradas, liberam-na na forma de energia química que pode ser utilizada para a produção de energia elétrica, calor, combustível ou matéria-prima para a indústria química [3].

No caso de plantas, a produtividade está diretamente relacionada com a eficiência pela qual as plantas conduzem o processo de fotossíntese, dadas determinadas condições ambientais, o tipo de planta e os recursos disponíveis para a mesma [4]. A fixação de carbono através da reação de fotossíntese ocorre através de uma série de reações, podendo ser na presença de luz, através da excitação e separação dos elétrons e prótons da molécula de água; ou na ausência de luz, período no qual ocorre a redução do CO2 do ar atmosférico a carboidratos, proteínas e gorduras. A eficiência deste processo (η), por sua vez, pode ser calculada pela razão entre o ganho líquido de entalpia da biomassa por unidade de área pela energia solar incidente por unidade de área (Eq. 1) [5].

A absorção da radiação solar ocorre em pigmentos específicos – clorofila, carotenoides, entre outros – e está limitada a região visível do espectro, ou seja, entre 400 e 700 nm, portanto, o processo de fotossíntese aproveita ~50% da energia solar

eq. (1)

que incide sobre a Terra [6].

A eficiência de conversão não depende somente da radiação incidente, mas também da espécie cultivada, no caso capim elefante cada quilo contém 18,5 MJ de energia [3], sendo que a produtividade é de 300 t/ha/ ano [7], portanto, cada m² de cultivo de capim elefante resultará em 555 MJ de energia por ano.

Células solares fotovoltaicas

As limitações da tecnologia de células fotovoltaicas estão intrinsicamente ligadas com ao processo de conversão da radiação solar em energia elétrica e a limitação da efi-

ciência elétrica dos componentes de um sistema fotovoltaico, tal qual os módulos fotovoltaicos, inversores de corrente, sistemas de proteção e condutores de energia.

Porém, acima de tudo, a disponibilidade de conversão da radiação solar global que incide na terra (kWh/ m2) em energia elétrica útil depende fundamentalmente de fatores como a localização geográfica (local de instalação), das condições climáticas locais, da inclinação e da orientação do painel solar com relação à orientação ideal, etc. Além disso, fatores como temperatura dos painéis, resistência elétrica dos condutores, sombreamento parcial, limpeza dos módulos, dentre outros, influenciam a produção de energia de sistemas fotovoltaicos. da União Européia. No Brasil, o Nordeste apresenta os melhores índices de radiação global, atingindo 6,5 kWh/m2 e o litoral de Santa Catarina a menor média anual, com 4,25 kWh/ m2 .

A eficiência de sistemas fotovoltaicos pode ser medida com precisão em termos de energia. No entanto, para efeito de comparação, considerando-se uma eficiência média de 15% para a tecnologia fotovoltaica fabricada como células de silício, um metro quadrado coberto com a tecnologia pode gerar 780 MJ por ano [9], ou seja. Módulos fotovoltaicos possuem eficiência de conversão de energia que varia com a tecnologia

adotada, sendo a tecnologia de silício policristaliano a mais difundida, comercialmente falando, com eficiência em torno de 16%.

A eficiência de conversão não depende somente da radiação incidente, mas também da espécie cultivada, no caso capim elefante...

Segundo Atlas Brasileiro de Energia Solar da ANEEL (2006) [8], os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro (4200 - 6700 kWh/m2) são superiores aos da maioria dos países

CONCLUSÃO

Considerando-se somente a eficiência de conversão por metro quadrado, a energia fotovoltaica pode ser vista como mais vantajosa, por apresentar quase 30% mais energia acumulada do que a biomassa de capim elefante. No entanto, diversos outros fatores devem ser considerados na escolha da aplicação de um determinado recurso energético, tais como uso final, tecnologia de conversão da biomassa, disponibilidade de mão de obra especializada, investimento inicial, ciclo de vida, impacto no sistema elétrico, entre outros.

Os dados apresentados são apenas uma estimação baseado em MJ/ m², no entanto, não deve servir como base da escolha por uma tecnologia ou outra. O que se deve priorizar é a diversificação da matriz energética baseada, majoritariamente, em tecnologias limpas e renováveis, a fim de conseguirmos suprir a demanda atual e futura do país. ▪

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] International Energy Agency. Key world energy statistics. Disponível em: http://www. iea.org/publications/freepublications/publication/keyworld2014.pdf; Acesso em: 24 jul. 2015. [2] LEWIS, Nathan S.; CRABTREE, George. Basic research needs for solar energy utilization: report of the basic energy sciences workshop on solar energy utilization, April 1821, 2005. 2005. [3] MCKENDRY, Peter. Energy production from biomass (part 1): overview of biomass. Bioresource technology, v. 83, n. 1, p. 37-46, 2002. [4] BERRY, JOSEPH A.; DOWNTON, W. JOHN S. Environmental regulation of photosynthesis. Photosynthesis, v. 2, p. 263-343, 1982. [5] TWIDELL, John et al. Renewable energy resources. Routledge, 2015. [6] ZHU, Xin-Guang; LONG, Stephen P.;

ORT, Donald R. Improving photosynthetic efficiency for greater yield. Annual review of plant biology, v. 61, p. 235-261, 2010. [7] DA SILVA, Evane; ROCHA, Carlos Roberto. Eucalipto e capim elefante: características e potencial produtivo de biomassa.

Revista Agrogeoambiental, v. 2, n. 1, 2010. [8] PEREIRA, Enio Bueno et al. Atlas brasileiro de energia solar. INPE, 2006. [9] NONHEBEL, Sanderine. Renewable energy and food supply: will there be enough land?. Renewable and sustainable energy reviews, v. 9, n. 2, p. 191-201, 2005.

Abstract

Solar energy is the most abundant and readily available source of energy on Earth. The technologies for harnessing this energy are extremely variable, and photovoltaic cells and biomass have great potential for application in Brazil. The conversion efficiency of the incident energy on each of these technologies is dependent on several factors, wherein only this fact alone does not give enough foundation for choice in investing in one or other. However, it is valid to understand how much energy a particular application area each can provide. Considering the common values of each application, it was found that a square meter of the elephant grass cultivation could result in an amount of 555 MJ of energy annually, while the application of photovoltaic cells with 15% efficiency results in 780 MJ of energy annually. These data can serve as a basis for discussion of diversification of the national energy matrix, in order to invest in higher quality.