10.2.2 Energia Solar-fotovoltaica

A geração de energia elétrica a partir da energia solar pode ocorrer de duas formas: (a) indiretamente, por meio do uso do calor para gerar vapor que, expandindo-se em turbina a vapor, aciona um gerador elétrico em uma usina termelétrica — constituindo os sistemas termossolares; (b) diretamente, por meio do uso de painéis fotovoltaicos — constituindo os sistemas fotovoltaicos. Com isso, é importante ressaltar que, no caso da energia solar, a mesma fonte de energia pode suprir duas diferentes formas de geração elétrica. No primeiro caso, diferentes tecnologias poderiam ser utilizadas para gerar eletricidade em processo termelétrico. No segundo caso, apenas uma tecnologia habilita-se para tal: os painéis fotovoltaicos; sendo assim, esta última situação dispensa a diferenciação terminológica entre fonte e tecnologia, que serão simplesmente denominadas doravante tecnologia. A grandeza básica para o aproveitamento da energia solar é a radiação solar incidente no sistema de geração elétrica, seja ele termossolar ou fotovoltaico (SEVERINO, 2008).

Segundo registram Reis e Silveira (2001), o uso da energia solar para geração termelétrica ainda é pouco utilizada, mesmo em centrais de porte razoável, principalmente nos Estados Unidos da América (EUA). Por sua vez, a geração solar-fotovoltaica tem tido muito mais aplicação, mesmo que em instalações de menor porte, não apenas nos países desenvolvidos, como EUA, Japão e Alemanha, mas também nos países em desenvolvimento, principalmente para o suprimento de eletricidade para pequenos sistemas isolados, em projetos-piloto e na eletrificação de equipamentos solitários, tais como radares e retransmissores de microondas. Embora o custo inicial desta tecnologia ainda não seja muito estimulante, mostra forte tendência de diminuição com a evolução tecnológica e com a produção em larga escala. Apesar da enorme divergência dos autores quanto a esse assunto, Reis e Silveira (2001) acreditam que a geração solar-fotovoltaica pode ser considerada a forma não-tradicional de geração de eletricidade mais atraente para o Brasil e para o mundo no médio e no longo prazos, provavelmente em razão da grande disponibilidade de radiação solar no planeta e pela expectativa de grande redução no custo dos empreendimentos de geração fotovoltaica.

Ainda com relação ao custo da tecnologia, Scheer (2002) afirma, categoricamente, que se deve produzir, sem demoras nem limitações, o progresso da energia solar, não obstante todas as considerações econômicas, pois a demora implicará custo social maior que o custo para tornar realidade as energias e matérias-primas solares; quanto mais rapidamente às energias e matérias-primas solares substituírem as fósseis, maior será a economia para a sociedade, que não terá de custear as reparações de catástrofes fósseis, sejam por danos causados por furacões, inundações ou guerras energéticas, sejam por gastos crescentes devido à eliminação de resíduos ou devido ao custo da crescente burocracia ambiental. O autor ainda critica a forma pela qual a sociedade moderna, tão dada ao desperdício em muitos aspectos, preocupa-se em demasia com os preços da energia, impondo-se, assim, limitações relativas a fontes energéticas que, apesar de mais caras, são também mais compatíveis com a natureza. A tabela 01, a seguir, mostra a distribuição das fontes energéticas utilizadas em 2002 e em 2005 para a geração de eletricidade no mundo.

Verifica-se que, em 2002, 81,5% da energia elétrica produzida no mundo advém da utilização de recursos fósseis — carvão, gás e petróleo — e nucleares; em 2005, esse número subiu para 81,8%. Essa constatação é coerente com a informação, também prestada pela International Energy Agency (IEA), de que, no período de 1973 a 2005, houve aumento percentual na participação de combustíveis fósseis para a geração total de energia elétrica no mundo.

Essa tendência, que é antagônica às reconhecidas necessidades do planeta na redução da poluição ambiental e, principalmente, do efeito estufa, pode, ao menos em parte, ser explicada pelo período de crescimento pelo qual passa a economia global, com grande crescimento de muitos países emergentes. O caso brasileiro é bem mais favorável, sob esse ponto de vista, do que a média mundial, devido à existência de grande parque gerador hidrelétrico, que utiliza uma fonte primária renovável de energia. A Tabela 02 (SEVERINO, 2008), mostra a distribuição das fontes energéticas utilizadas em 2002, 2005 e 2006 para a geração de eletricidade no Brasil.

Verifica-se que, em 2002, quase 87% da energia elétrica gerada no Brasil proveio de fontes renováveis de energia, número que subiu para pouco mais de 87% em 2005 e, em 2006, voltou a ficar abaixo dos 87%. De 2002 a 2005, houve aumento de 16,59% na geração total de energia elétrica, que teve contribuição substancial do aumento de 17,95% na geração hidrelétrica, em razão da melhoria das condições de hidraulicidade; de 2005 para 2006, houve aumento de 4,05% na geração total, com a contribuição do incremento de 3,36% na geração hidrelétrica (SEVERINO, 2008).

De 2002 a 2005, destaques ambientalmente positivos podem ser feitos para a redução na geração com base em fontes não-renováveis: 28,77% na geração nuclear e de 51,46% na geração à base de óleo combustível, que aumentaram de 2005 para 2006. Também, houve aumentos na geração com base em fontes renováveis, como a hidrelétrica, já citada, e a geração com base em bagaço de cana-de-açúcar, que cresceu 42,93% de 2002 a 2005 e, de 2005 a 2006, 9,08%. De 2002 a 2006, houve aumento de 47,17% na geração com base em gás natural, que, apesar de ser fonte não-renovável, é menos poluidora que os derivados de petróleo. Vale à pena ressaltar o recente conflito envolvendo o comércio de gás natural entre Brasil e Bolívia: trata-se de um exemplo em que uma fonte de energia importante sofre contingenciamento político-econômico. Finalmente, é importante destacar o enorme crescimento da geração eólica de 2002 a 2006, 288,52%, apesar de ela ser fonte de relevância muito pequena para a matriz nacional de geração elétrica (SEVERINO, 2008).

O fato de o Brasil possuir grande parte de sua geração elétrica com base em fontes renováveis de energia é conhecido há muito tempo. Também é sabido que esse percentual já foi maior que os atuais 87%, antes do racionamento de energia elétrica ocorrido em 2001 e 2002 . Então, resta a conclusão de que o Brasil, país de enormes potencialidades para fontes renováveis, percorreu o caminho oposto ao que era de se esperar: seguiu a tendência do restante do mundo, ao aumentar a participação de fontes não-renováveis na sua matriz energética para a geração elétrica (SEVERINO, 2008).

O contexto da introdução das termelétricas no Brasil a partir de 2001 foi marcante: os investidores praticaram uma espécie de capitalismo sem risco, pois tiveram garantia do retorno financeiro, com generosos lucros, em operação altamente subsidiada pelo governo (ALVES FILHO, 2003). Não obstante isso, as termelétricas não são a melhor solução para um país que tem excesso de potenciais hídricos a explorar , além de outros diversos potenciais de energia renovável: Alves Filho (2003) chega a denominar o Brasil de a “Arábia Saudita da Energia Renovável”, pelo fato de ser o país do mundo com o maior potencial hidrelétrico.

Sendo assim, o número 87% citado anteriormente deve ser avaliado considerando-se os benefícios que podem ser acrescentados pela GD. Conforme bem recorda Shayani (2006), o sistema elétrico brasileiro atual tem como base predominante a geração centralizada, o que contribui para o baixo Índice de Desenvolvimento Humano (IDH) das comunidades isoladas, pois contribui para o grande número de localidades sem suprimento elétrico, para o pequeno desenvolvimento econômico na zona rural e para a grande quantidade de pessoas sem usufruir dos benefícios da energia elétrica, cerca de 15% da população brasileira, segundo Walter (2000).

Como paradoxo a ser analisado, a maior disposição em se investir na geração fotovoltaica encontra-se em países da União Européia, que não possuem os melhores índices de radiação solar. O Gráfico 01 mostra que 68% da energia gerada por meio de painéis fotovoltaicos encontra-se na União Européia, sendo a Alemanha a grande protagonista desse investimento.

É possível que a explicação disso não se encontre exclusivamente na engenharia: por trás dos grandes investimentos em tecnologia nova, promissora, e de enorme esforço em criar e divulgar uma matriz energética ecologicamente correta está, certamente, motivações ambientais, mas, também, grandes interesses econômicos, sendo correto presumir que o país desenvolvedor da tecnologia dominante para a GD no futuro terá vantagens econômicas importantes.

A geração fotovoltaica é uma tecnologia altamente modular, com ausência quase total de emissão de poluentes e de ruídos durante o funcionamento e baixa exigência de manutenção. O gerador fotovoltaico, usualmente conhecido por arranjo fotovoltaico, é constituído por módulos fotovoltaicos que, por sua vez, são constituídos por células fotovoltaicas, responsáveis pela conversão da radiação solar em eletricidade na forma de corrente contínua (CC), conforme pode ser visto na Figura 03.

Em um mesmo módulo, as células são conectadas eletricamente em série, e a quantidade de módulos conectados em série determinará a tensão de operação do arranjo fotovoltaico em CC. A corrente do arranjo é definida pela conexão em paralelo de módulos individuais ou de strings — conjuntos de módulos conectados em série. A potência instalada do arranjo, usualmente especificada em CC, é dada pela soma das potências nominais individuais dos módulos.

Por causa da baixa densidade energética envolvida com essa tecnologia, ela adapta-se melhor à GD que à geração centralizada, fato que evidencia um ótimo espaço a ser ocupado por ela, principalmente em localidades com altos índices de insolação.

Nos últimos vinte anos, a geração fotovoltaica atingiu o estágio comercial, sendo utilizada tanto em áreas isoladas quanto de forma conectada a rede elétrica existente. As taxas de crescimento da produção de módulos fotovoltaicos têm sido altas, da ordem de 15% ao ano desde 1983. No entanto, as taxas verificadas nos anos de 2000 e 2001 foram excepcionalmente altas, da ordem de 40% (SEVERINO, 2008). Em 2001, a produção mundial de módulos fotovoltaicos atingiu os 401 MW, sendo que, em 2000, era de 287 MW, dos quais 172 MW no Japão. O Gráfico 02, a seguir, ilustra essa evolução.

Com esse aumento de produção, os custos caíram muito: segundo Tester et al., (2005), a produção das primeiras células fotovoltaicas deu-se, em grande parte, em razão dos programas espaciais russo e norte-americano, e elas foram construídas ao custo de US$ 250/W; em 2003, mais de 700 MW de células fotovoltaicas foram fabricadas ao custo aproximado de US$ 2,50/W, o que representa uma redução de 100 vezes no preço das células fotovoltaicas.

Os sistemas fotovoltaicos que são instalados sem conexão a nenhuma rede elétrica, denominados sistemas fotovoltaicos autônomos, usualmente utilizam algum sistema auxiliar de armazenamento de energia, normalmente baterias, para manter o fornecimento total ou parcial de energia em períodos de radiação solar insuficiente ou inexistente. Esse tipo de sistema tem sido utilizado para a alimentação de instalações isoladas, possibilitando vários projetos sociais, agropastoris, de irrigação e de comunicações. As características positivas dos sistemas fotovoltaicos, que incluem a modularidade, os baixos custos de manutenção, a longa vida útil e, principalmente, a disponibilidade de longo prazo e a gratuidade da utilização da fonte primária de energia, tornam esses sistemas de grande relevância para as instalações isoladas (SEVERINO, 2008). As três figuras a seguir, obtidas em DOE (2007) mostram aplicações de sistemas fotovoltaicos alimentando instalações isoladas. A Figura 04 mostra um sistema utilizado para bombeamento de água na zona rural do estado do Wyoming, nos EUA; a Figura 05 mostra um sistema fotovoltaico portátil altamente tolerante a baixas temperaturas que opera na região da Antártica provendo iluminação de segurança para pouso de aviões de carga; a Figura 06 mostra um sistema fotovoltaico instalado em um centro de saúde de uma pequena vila na Índia, provendo eletricidade para refrigeradores contendo remédios e vacinas, para iluminação e para outras necessidades importantes. Mais recentemente, os sistemas fotovoltaicos são utilizados de forma integrada à rede elétrica, operando como usinas geradoras em paralelo com as usinas convencionais. Nesse caso, dispensa-se o sistema de armazenamento energético — evitando-se o seu elevado custo e a manutenção necessários —, pois, pelo fato de os sistemas estarem conectados à rede elétrica, nos períodos de radiação solar insuficiente ou inexistente, a rede convencional supre a demanda da instalação. Nesse caso, a conexão à rede é feita por meio de inversores de potência, que devem satisfazer a diversas exigências de qualidade da energia e de segurança para que não afetem negativamente a rede à qual estão conectados (SEVERINO, 2008).

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica podem ser classificados em dois grandes grupos: (a) os que estão integrados arquitetonicamente às edificações, como, por exemplo, no telhado ou na fachada de um prédio, estando localizados junto ao ponto de consumo, total ou parcial, da energia gerada; e (b) os que estão instalados de forma centralizada em determinado local, como em uma usina geradora convencional, estando localizada a certa distância dos consumidores, aos quais se conectam por meio de linhas elétricas de transmissão e/ou de distribuição.