🚨 🦎 🐑 Energia solar: hoje e amanhã 🤘🏽 👏🏼 🌻

Desde a crise do petróleo da década de 1970, a sociedade começou a pensar em encontrar uma alternativa à energia tradicional de hidrocarbonetos. O potencial da energia solar, como o maior e mais acessível para a humanidade, sempre atraiu a atenção da comunidade científica. O uso de energia renovável formou a base do conceito de movimentos sociais e políticos inteiros. Nos últimos dez a quinze anos, a energia solar se desenvolveu rapidamente e ganhou alguma distribuição no setor de geração de energia. Em geral, podemos falar sobre a tendência de crescimento exponencial da geração de energia fotovoltaica nos últimos vinte anos [1]:

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Parece que agora os dados empíricos já são suficientes, o que significa que é possível avaliar as capacidades da indústria de forma alguma teoricamente. Mas, apesar disso, as opiniões permanecem extremamente polares. Um lado observa que o custo da eletricidade nas usinas de energia solar é mais caro do que as tradicionais, não há tecnologias econômicas para armazenar eletricidade, necessárias devido às flutuações diárias na geração e muito mais. O outro lado relata o crescimento exponencial da geração de energia elétrica do SES, redução de custos abaixo do nível da indústria tradicional de energia térmica. Quem está certo? Como costumamos observar, a verdade está no meio. Em nossa opinião, o motivo das diferenças nas estimativas é bastante simples e resolve a disputa das partes em conflito:A relevância da energia solar varia muito de várias maneiras e, dependendo da situação, acaba sendo certo um campo de apoio ou vice-versa. A seguir, energia solar significa fotoevoltaica, o uso de tecnologias solares térmicas ainda é mais caro e essas usinas são menos comuns.

Nível de conceito - abordagem de nicho

Por que razões a confusão surgiu?
Insolação. Se compararmos a Califórnia e as regiões norte da Rússia, podemos falar de uma diferença quadrupla com um efeito proporcional no custo.
• Nos últimos 35 anos, os preços das células solares têm caído e há até um padrão empírico: a cada 5 anos, o preço cai duas vezes. Assim, as estimativas do custo de geração solar estão constantemente se tornando obsoletas e esse fator deve ser levado em consideração na discussão.
• A complexidade das redes de distribuição de energia, a necessidade de tecnologias de armazenamento de energia elétrica gerada, as capacidades de manobra e o aumento no rendimento das principais redes de energia aumentam com o aumento da participação da energia solar no balanço elétrico.
• O custo da energia elétrica tradicional varia muito, dependendo da escolha do estado em estudo e do período de tempo.
Você pode continuar por um longo tempo, mas é óbvio que, se você considerar a opção com alta insolação, com os baixos preços esperados para o futuro próximo, uma pequena participação no balanço elétrico e a energia elétrica tradicional local cara, a energia solar ultrapassará significativamente a tradicional em termos de rentabilidade e não exigirá investimentos especiais em infraestrutura. Para a situação inversa, a energia solar parecerá inaceitável.

Assim, não se pode "cortar o ombro" e apressar teses sobre energia solar sem olhar para as condições territoriais, climáticas e outras de um caso específico. Em nossa opinião, uma abordagem de “nicho” deve ser aplicada para entender a aceitabilidade da geração de energia solar.

Estimativas quantitativas - o custo da eletricidade

As estimativas do custo da geração de energia fotovoltaica dependem da metodologia escolhida, do custo de capital e de outros parâmetros; portanto, para obter uma imagem geral, deve-se confiar em muitas estimativas independentes:

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os limites superiores da energia tradicional, para não mencionar a geração a partir de produtos petrolíferos, cruzam os limites inferiores do custo estimado da eletricidade fotovoltaica. Juntamente com outras nuances, isso cria nichos para a atratividade da energia solar. De acordo com nossas estimativas, hoje seu tamanho é de aproximadamente 3-5% da geração de eletricidade do mundo. Fora desses nichos estreitos, a energia solar, em geral e hoje, não é economicamente viável.

O tamanho dos nichos é insignificante em relação a toda a geração de energia mundial, mas ainda excede a capacidade instalada em três vezes, o que fornece à indústria solar oportunidades para crescimento a longo prazo. Considerando os fatores de aumento do consumo de eletricidade nos países em desenvolvimento, redução do custo de geração de energia solar e aumento do custo de geração tradicional, é lógico supor que os “nichos” aumentem com o tempo. Vejamos alguns exemplos.

Arquipélago de Energia Solar

Se você olhar para um nível geral, hoje e em geral o uso de energia solar é bastante injustificado. Mas entre o oceano de energia tradicional, há um lugar para ilhas fotovoltaicas individuais. Listamos as razões pelas quais surgiram nichos para energia solar:

Substituição de produtos petrolíferos. Em primeiro lugar, o custo já mencionado. Por exemplo, o Japão, que ocupa o terceiro lugar na geração mundial de energia, produz 10% da eletricidade a partir de derivados de petróleo e isso não é consequência da tragédia de Fukushima - era assim antes. Segundo o Banco Mundial, em 43 países, a participação de derivados de petróleo (óleo combustível, diesel) na geração de eletricidade é superior a 10% [10]. Normalmente, esse tipo de geração de energia é usado temporariamente para ultrapassar os picos diários de consumo de energia, pois à noite o consumo de energia é significativamente menor. Essa geração de pico cara, em todos os sentidos, US $ 100 / MWh e superior no caso de derivados de petróleo, é convenientemente e barata substituída por energia solar (US $ 100 ou menos), que o Japão começou a fazer. Uma situação semelhante pode ser observada no caso de importações caras de gás natural.

Déficit de recursos energéticos próprios. Outro bom exemplo é a Índia. O país tem uma escassez catastrófica de eletricidade e sua própria produção de energia, o que foi eloquentemente indicado pelas promessas eleitorais do primeiro-ministro: "Eletricidade para todos os lares!" Essa escassez aguda motiva a solução do problema de qualquer maneira e, além da geração básica, também é necessário um pico. Mas o país tem recursos insuficientes de carvão e nem um único gasoduto foi instalado - os Estados Unidos ameaçam o Paquistão com sanções por muitos anos por concordar em entrar no projeto de transporte de gás do Irã para a Índia através de seu território, embora recentemente a situação tenha avançado.

O resultado de escassez crônica de energia, jogos políticos de atores externos, dependência de importação, etc. tornou-se uma decisão aumentar a participação na geração de energia solar, o benefício da alta insolação e da mão-de-obra barata a tornará relativamente barata, embora mais cara que a energia a carvão. Dada a dinâmica frenética da economia (crescimento de 7,5% em 2014) e os motivos acima, isso é melhor do que a atual falta completa de acesso à eletricidade para 250 milhões de cidadãos indianos. O Ministério de Energia Nova e Renovável lançou um programa de projetos com o nome simbólico de "ultra mega usinas solares", no âmbito dos quais territórios são alocados para parques de usinas solares, infraestrutura foi estabelecida, etc. O objetivo imediato é de 100 GW até 2022 [11].

Fatores Ambientais. O custo da geração de calor na maioria dos países é menor que o solar, especialmente na China. Mas, por exemplo, a saúde não pode ser comprada por dinheiro. A poluição do ar anualmente tira a vida de cerca de 0,5 a 1 milhão de pessoas na China e afeta negativamente a situação social e política. Além disso, dois terços das capacidades mundiais de produção de células solares estão localizadas no Reino Médio [12]. Assim, surgiu outro nicho para energia solar e o Centro Nacional de Energia Renovável da China visa 100 GW de capacidade instalada até 2020 e 400 GW até 2030 [13]. Dado que, no primeiro trimestre de 2015, a capacidade fotovoltaica instalada na China aumentou 5 GW e atingiu 33 GW [14], as metas parecem bastante adequadas.

Existem casos complexos, como a Austrália. Enquanto empresas de geração e forças políticas discutem sobre quem culpar pelos altos preços de varejo da eletricidade, ou seja, US $ 250-350 / MWh, 14% das famílias já usam células solares [15]. Etc.

Assim, ao usar uma abordagem de nicho, torna-se óbvio que, no caso de nichos estreitos específicos, a verdade está do lado dos adeptos da energia solar e, em outros casos, as teses dos oponentes já são válidas. Mas, como antes, as simplificações são grandes e as nuances da abordagem correta serão consideradas abaixo.

Perspectivas. Custo em função do tempo.

A questão do desenvolvimento de energia não deve se concentrar em fatores táticos e custos atuais. A vida útil das usinas nucleares está se aproximando de um século, as despesas de capital para o desenvolvimento de depósitos de hidrocarbonetos individuais atingiram a ordem de centenas de bilhões de dólares com um período de retorno adequado, o custo da eletricidade das células solares é reduzido anualmente em 15% e assim por diante. Ou seja, a abordagem deve ser estratégica e com um horizonte de planejamento de várias décadas, e no caso da França e da Rússia, onde a energia nuclear desempenha um papel especial, o horizonte de planejamento segue em escala histórica - um século. Portanto, é contraproducente se concentrar no custo atual da geração de eletricidade.

Previsão, como você sabe, é uma tarefa ingrata. No entanto, é melhor que nada. O progresso tecnológico permitiu reduzir o custo de produção de fotocélulas ( 200 vezes nos últimos 35 anos), inversores, etc., enquanto o desenvolvimento do mercado reduz os preços de instalação e manutenção. É improvável que o progresso pare e os trabalhadores se tornem menos qualificados; portanto, são esperadas reduções adicionais nos preços das células solares e serviços relacionados, enquanto os preços da energia "todas as outras coisas são iguais" aumentam. A essência geral de todas as previsões é a mesma - a redução exponencial de custos observada nos últimos 35 anos continuará e não há razões óbvias para interromper o progresso:

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Dentro da estrutura da “abordagem de nicho”, é lógico confiar no limite mais baixo do custo, uma vez que a energia solar inicia seu desenvolvimento com as situações mais econômicas e as encherá por um longo tempo e lentamente. O preenchimento de até 5% da geração global de energia levará cerca de 10 anos.

De acordo com as previsões da Agência Internacional de Energia, da qual a Rússia é membro, e do Instituto Alemão de Energia Solar, em homenagem a Fraunhofer, a energia solar está se tornando mais barata, mas não se tornando "gratuita". Espera-se que a energia tradicional barata de países como Rússia, EUA, China, Noruega etc. seja mais barata que a energia solar por muitos anos.

Contexto de rede

O problema de integrar energia solar em larga escala em uma única rede de energia ainda não foi resolvido e, além disso, não há solução nem no horizonte. "The Sun" é uma opção conveniente para lidar com o pico de consumo diário, mas em alguns casos há um problema de pico noturno, sem mencionar o inverno. Até a inesperada névoa da manhã de verão, que escondeu o sol de vários gigawatts de energia fotovoltaica na Alemanha, pode confundir os engenheiros elétricos - há exemplos . No momento, por exemplo, a Europa está resolvendo seus desequilíbrios de "rede" importando e exportando eletricidade, mas em nossa opinião as possibilidades dessa ferramenta são limitadas. No nível conceitual, existem várias abordagens:

Reserva. Um exemplo conveniente é a Alemanha. Devido aos problemas descritos acima, é necessário manter “10 alerta” a geração de combustível a gás “em alerta”, ou seja, reservar a geração solar, embora o uso da geração solar tenha possibilitado abandonar completamente essa geração cara nos picos diurnos no verão. A principal parte do custo da eletricidade de uma TPP a gás é o combustível, e a empresa, em certa medida, ganhou economizando na importação de gás natural, apesar da ociosidade das TPPs no verão.

A situação oposta é observada no caso de TPPs de manobra, onde a principal parcela do custo são as despesas de capital. Nesse caso, o oposto é verdadeiro: o combustível ocupa uma pequena fração do preço de custo e, com uma redução no fator de utilização da capacidade instalada (KIUM), a eletricidade como um todo custará mais à sociedade, pois terá que pagar tanto pela geração solar quanto pelas capacidades ociosas dos TPPs de carvão, que são muito mais caros que o gás [16 ]

Acumulação. É possível abordar a questão dos problemas de rede através do acúmulo de eletricidade. Nos países onde a insolação do verão é significativamente maior que o inverno (por exemplo, Alemanha), os problemas de integração começam quando a energia fotovoltaica forma 7% da geração média anual de energia. Nesse caso, no verão, a porcentagem média diária sobe para 10% e, durante o dia, para 30% [17], o que é um problema sério para o sistema de energia. A acumulação é uma saída natural para o desenvolvimento futuro da situação, apesar do fato de que no momento não há necessidade dela [18]. Além disso, as dúvidas sobre o desenvolvimento em larga escala da energia solar são redutíveis à questão da acumulação barata, uma vez que o problema do alto custo de geração de energia elétrica de células solares com alta probabilidade deixará de existir mais cedo ou mais tarde e apenas o problema de integração na rede permanecerá.

Para 2014, a capacidade instalada mundial de sistemas de armazenamento é de 145 GW; 99% são representados por usinas de armazenamento por bombeamento (PSP) [19]. Os sistemas de armazenamento de ar comprimido (ACSV) são usados há mais de uma década, mas ainda não ganharam distribuição - a implementação atual de ambos os sistemas é crítica para as condições geográficas e geológicas.

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[20,21]

O limite atual mais baixo é de US $ 80 / MWh e há motivos para acreditar que o AHRN e outras tecnologias possam reduzi-lo, mas é uma realidade pelo menos na próxima década. Os US $ 80 / MWh adicionais de capacidade de armazenamento são insuportáveis para energia solar, mas até certo ponto isso é uma questão de metodologia. Baterias recarregáveis de chumbo-ácido e outros tipos no momento e no médio prazo não são aconselháveis no papel dos sistemas de armazenamento para energia fotovoltaica industrial.

Energia fotovoltaica EROEI - eficiência energética

Brevemente sobre rentabilidade energética, com exemplos e cálculos, foi descrito em um artigo anterior , portanto omitimos a repetição do básico. A energia fotovoltaica da EROEI não é um "segredo por trás de sete selos" e existem muitos estudos sobre esse assunto. Se resumirmos 38 estudos [22], podemos obter o seguinte intervalo EROEI para diferentes tecnologias:

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Em nossa opinião, esses são bons resultados. Assim, energeticamente, as células solares são pagas em 0,5 a 4 anos.

Aspectos territoriais

A questão territorial da energia fotovoltaica é outro excelente exemplo de uma “verdade do meio” - os países variam muito em consumo de energia por unidade de área. Os funcionários do Instituto de Tecnologia de Massachusetts estimam a área necessária de energia fotovoltaica para atender à demanda de eletricidade dos EUA como um quadrado de 170x170 km [9]. O mesmo valor pode ser obtido empiricamente: por exemplo, a moderna usina solar Solar Star tem uma capacidade de 579 MW e uma área de 13 km2, o sistema de rastreamento solar permite aumentar o fator de utilização da capacidade instalada (KIUM) para 30% [7] e todo o consumo a eletricidade nos EUA é de 4,1 * 10 ^ 15 Wh * h - vários cálculos simples levarão o curioso leitor ao mesmo número. Por exemplo, abaixo está um mapa dos EUA,na qual aplicamos a área necessária de usinas de energia solar (sujeita à correção KIUM) para satisfazer todo o consumo de energia dos EUA:

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Com base no GoogleMaps, como

você pode ver, é fácil se livrar de uma pequena parte dos desertos do Arizona e Nevada. É interessante acrescentar que a área total de todos os telhados nos EUA é de 140x140 km quadrados [9]. Mas o Japão tem apenas quatro vezes menos consumo de energia em comparação com os Estados Unidos e 25 vezes menos área, portanto, para o Japão, as nuances territoriais da energia fotovoltaica são muito mais nítidas e não há 90x90 km extras por lá.

Lições de história: a evolução das estimativas de potencial fotovoltaico

O paradoxo de Hegel afirma que "a história ensina ao homem que o homem não aprende nada da história". Apesar da juventude da energia solar, até hoje já existe uma experiência que é “o filho de erros difíceis” e vale a pena prestar atenção nos erros anteriores para não multiplicar os seus. Resumindo as previsões sobre a energia solar de muitos anos atrás por duas principais agências de energia:

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[23,24,25,26]

A conclusão é óbvia - a energia fotovoltaica foi sistematicamente subestimada e muito fortemente: em 2006, a AIE previu 87 GW para 2030, mas esse nível foi excedido após seis anos. A previsão da linha de base de 2009 (208 GW) será superada em 2015-2016. As previsões da AEI (EIA), uma divisão do Departamento de Energia dos EUA, eram semelhantes. A essência das previsões era a mesma - uma desaceleração no atual desenvolvimento exponencial, mas o desenvolvimento da energia fotovoltaica refutou sistematicamente essas suposições.
Assim, olhar para o desenvolvimento da energia fotovoltaica em cores pessimistas será, antes, um erro que ensina retrospectivamente. Vale mencionar o efeito de uma base baixa: apesar do aumento da geração solar em 50% ao ano, em números absolutos, esse valor é de cerca de 30 TW * h nos últimos anos. Enquanto o consumo global de eletricidade está aumentando, em média, 650 TW * h por ano [27]. Ou seja, a contribuição da energia fotovoltaica ainda é insignificante - 1% da geração global de eletricidade e 0,2% da produção global de energia primária (este parâmetro inclui todas as fontes de energia em geral: hidrocarbonetos, etc.).

achados

A verdade está no meio, entre as duas posições indicadas no início do material.

A geração de energia fotovoltaica está crescendo em alta velocidade e a tendência continuará
- 2030-

Assim, apesar do progresso significativo das fontes de energia fotovoltaica e renovável em geral, os combustíveis fósseis terão que ser usados por um longo período de tempo , e as dificuldades de transição para um novo armazenamento de energia estão à frente. O desenvolvimento em geral e o aumento do consumo de energia, em particular, são atributos invariáveis da humanidade por centenas de anos, e a sociedade, sem dúvida, continuará a melhorar. Segundo o Banco Mundial, um bilhão de pessoas estão sem acesso à eletricidade [28] e a tarefa de fornecer eletricidade à humanidade é um desafio para a energia solar. Dado que o consumo global de eletricidade está crescendo a uma taxa de 3% ao ano e dobrará até 2040, o tamanho dos nichos aumentará em números relativos e absolutos.
É interessante observar os resultados no aspecto civilizacional [12]:

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No âmbito da abordagem proposta, pode-se argumentar que o nicho criado artificialmente na Europa, em geral, foi preenchido e que o desenvolvimento é nebuloso e será determinado pela situação econômica. Portanto, a Associação Europeia de Energia Fotovoltaica prevê o desenvolvimento de energia fotovoltaica em uma ampla gama: 120-240 GW até 2020 [28]. O vetor de produção e uso de células solares nos últimos dois anos foi redirecionado para a Ásia, onde em dois anos a capacidade instalada de células solares excederá a correspondente para os países europeus.

Fontes:
1. www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/technical/PVPS_report_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-_1992-2014.pdf
2.www.iea.org/bookshop/480-Medium-Term_Renewable_Energy_Market_Report_2014
3. www.iea.org/publications/freepublications/publication/TechnologyRoadmapSolarPhotovoltaicEnergy_2014edition.pdf
4. www.iea.org/media/workshops/2014/solarelectricity/bnef2lcoeofpv.pdf
5 . www.db.com/cr/en/docs/solar_report_full_length.pdf
6. www.agora-energiewende.org/fileadmin/downloads/publikationen/Studien/PV_Cost_2050/AgoraEnergiewende_Current_and_Future_Cost_of_PV_Feb2015_web.pdf
7. www.irena.org/DocumentDownloads/Publications /IRENA_RE_Power_Costs_2014_report.pdf
8.www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf-dateien-en/studien-und-konzeptpapiere/study-levelized-cost-of-electricity-renewable-energies.pdf
9. mitei.mit.edu/system /files/MIT%20Future%20of%20Solar%20Energy%20Study_compressed.pdf
10. data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.PETR.ZS
11. mnre.gov.in/file-manager/UserFiles/Draft-Scheme -Solar-Park-and-Ultra-Mega-Solar-Power-Projects-for-comments.pdf
12. www.iea-pvps.org/index.php?id=3&eID=dam_frontend_push&docID=2150
13. www.cnrec.org .cn / go / AttachmentDownload.aspx? id = {1056eb44-8882-46a2-b4a4-c45c42d5c608}
14. cleantechnica.com/2015/04/20/china-installed-5-04-gw-new-solar-q115
15 .www.abs.gov.au/ausstats/abs@.nsf/mf/4602.0.55.001
16. www.iea.org/publications/freepublications/publication/projected_costs.pdf
17. www.ise.fraunhofer.de/en/downloads -englisch / pdf-files-englisch / data-nivc- / eletricidade-produção-de-solar-e-vento-na-alemanha-2014.pdf
18. www.ise.fraunhofer.de/en/publications/veroeffentlichungen-pdf -dateien-pt / studien-und-konzeptpapiere / fatos-recentes-sobre-energia fotovoltaica-na- alemanha.pdf
19. www.iea.org/publications/freepublications/publication/Tracking_Clean_Energy_Progress_2015.pdf
20. www.iea.org/publications /freepublications/publication/TechnologyRoadmapEnergystorage.pdf
21. energy.gov/sites/prod/files/2013/08/f2/ElecStorageHndbk2013.pdf
22. www.researchgate.net/profile/Defne_Apul/publication/273818473_Energy_payback_time_%28EPBT%29_and_energy_return_on_energy_invested_%28EROI%29_of_solar_photovoltaic_systems_A_systematic_review_and_meta-analysis/links/55143adb0cf23203199d12be.pdf?disableCoverPage=true
23. www.eia.gov/oiaf/aeo/tablebrowser/# release = IEO2011 & subject = 9-IEO2011 & table = 25-IEO2011®ion = 0-0 & cases = Reference-0504a_1630
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25. www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo2006.pdf
26. www.iea.org/publications/freepublications/publication/weo2009.pdf
27.www.bp.com/content/dam/bp/excel/Energy-Economics/statistical-review-2014/BP-Statistical_Review_of_world_energy_2014_workbook.xlsx
28. data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS.ZS

Energia solar: hoje e amanhã