Custo de redução de tecnologia solar fotovoltaica de película fina pode ser experimentando um renascimento, graças às inovações de eficiência recentes pelo fabricante US First Solar. Foto cedida pela First Solar, Inc.
Dentro de um edifício de escritórios de um único andar em Bedford, Massachusetts, em uma sala secreta conhecida como o Salão do Crescimento, o futuro da energia solar é cozinhar a mais de 40 ° C. Por trás de portas fechadas e estores virados para baixo, fornos personalizados com nomes ambiciosos como “Fearless” e “Intrepid” estão ajudando a aperfeiçoar uma nova técnica de produção de wafers de silício, o carro-chefe dos painéis solares atuais. Se tudo correr bem, o novo método poderá reduzir o custo da energia solar em mais de 2,500 por cento nos próximos anos.
"Esta bolacha humilde permitirá que a energia solar seja tão barata quanto o carvão e mudará drasticamente a forma como consumimos energia", diz Frank van Mierlo, CEO da 1366 Technologies, a empresa por trás do novo método de fabricação de wafer.
Salas secretas ou não, esses são momentos empolgantes no mundo das energias renováveis. Graças aos avanços tecnológicos e ao aumento da produção ao longo da década, a paridade de redes - o ponto em que as fontes de energia renovável, como a solar e eólica custam o mesmo que a eletricidade derivada da queima de combustíveis fósseis - está se aproximando rapidamente. Em alguns casos, isso já foi alcançado, e inovações adicionais esperando nas asas prometem enormes custos de condução ainda mais baixos, dando início a uma era inteiramente nova para renováveis.
Surpresa Solar
Em janeiro 2015, empresa da Arábia Saudita ACWA Poder surpreendeu os analistas da indústria quando ganhou uma tentativa de construir uma usina de energia solar 200-megawatt em Dubai, que será capaz de produzir eletricidade para 6 centavos por quilowatt-hora. O preço era menor do que o custo da eletricidade proveniente de usinas a gás natural ou a carvão, o primeiro de uma instalação solar. A eletricidade de novas usinas de gás natural e carvão custaria uma estimativa de 6.4 centavos e 9.6 centavos por quilowatt-hora, respectivamente, segundo a Agência de Informações de Energia dos EUA.
Os avanços tecnológicos, incluindo a energia fotovoltaica que podem converter percentagens mais elevadas de luz solar em energia, fizeram painéis solares mais eficientes. Ao mesmo tempo as economias de escala têm impulsionado os seus custos.
Para a maior parte dos primeiros 2000s, o preço de um painel solar ou módulo girava em torno de $ 4 por watt. No momento Martin verde, um dos principais pesquisadores fotovoltaicos em todo o mundo, calculou o custo de todos os componentes, incluindo os lingotes de silício policristalino usados na fabricação de bolachas de silício, o vidro de protecção no lado de fora do módulo, e a prata utilizada na fiação do módulo . Verde declarou famosa que, enquanto contamos com silício cristalino para a energia solar, o preço provavelmente nunca cair abaixo de US $ 1 / watt.
“Há um décimo de por cento de um ganho de eficiência aqui e reduções de custo que aumentaram a competitividade solar.” - Mark Barineau O futuro, Green e quase todos os outros no campo acreditavam, era com filmes finos, módulos solares que dependia de outros materiais além do silício que exigiam uma fração das matérias-primas.
Então, de 2007 para 2014, o preço dos módulos de silício cristalino caiu de $ 4 por watt para $ 0.50 por watt, tudo, mas terminando o desenvolvimento de filmes finos.
A redução drástica no custo veio de um grande número de ganhos incrementais, diz Mark Barineau, um analista solar com Lux Research. Os fatores incluem um processo novo, de baixo custo para a tomada de silício policristalino; wafers de silício mais finas; fios mais finos na parte da frente do módulo que bloqueiam menos luz solar e utilizar menos de prata; plásticos menos caro em vez de vidro; e maior automação na indústria transformadora.
"Há um décimo de um por cento de um ganho de eficiência aqui e reduções de custo lá que somaram para tornar a energia solar muito competitiva", diz Barineau.
Centavos 25 por Watt
"Obter abaixo de $ 1 [por watt] excedeu minhas expectativas", diz Green. "Mas agora, acho que pode ficar ainda mais baixo."
Um provável candidato para obtê-lo é o novo método de fabricação de wafer da 1366. As pastilhas de silício atrás dos painéis solares de hoje são cortadas de grandes lingotes de silício policristalino. O processo é extremamente ineficiente, transformando até metade do lingote inicial em serragem. A 1366 adota uma abordagem diferente, derretendo o silício em fornos especialmente construídos e reformulando-o em thin wafers por menos da metade do custo por wafer ou uma queda de 20 em porcentagem no custo total de um módulo de silício cristalino. A 1366 espera começar a produção em massa no 2016, de acordo com van Mierlo.
Enquanto isso, filmes finos, que se pensava ser o futuro da energia solar, em seguida, esmagado por silício cristalino de baixo custo, poderia experimentar um renascimento. A recente oferta low-cost recorde para a energia solar em Dubai aproveita thin-film módulos solares cádmio Telluride feitas pelo fabricante dos EUA First Solar. A empresa não apenas permaneceu firme quando a grande maioria das empresas de filmes finos se dobrou, mas produziu consistentemente alguns dos módulos menos caros, aumentando a eficiência de suas células solares enquanto ampliava a produção. A empresa agora diz que pode fabricar módulos solares para Menos do que 40 centavos por watt e prevê novas reduções de preços nos próximos anos.
Daqui a dez anos poderíamos ver facilmente o custo dos módulos solares caindo para 25 centavos por watt, ou cerca de metade do seu custo atual, diz Green. Para reduzir os custos além disso, a eficiência de conversão da luz solar em eletricidade terá que aumentar substancialmente. Para chegar lá, outros materiais semicondutores terão que ser empilhados em cima das células solares existentes para converter um espectro mais amplo de luz solar em eletricidade.
"Se você pode empilhar algo em cima de uma pastilha de silício que será praticamente imbatível", diz Green.
Green e seus colegas estabeleceram um recorde para a eficiência do módulo solar de silício cristalino a 22.9 por cento no 1996 que ainda é válido até hoje. Green duvida que a eficiência do silício cristalino por si só seja muito maior. Com o empilhamento de células, no entanto, ele diz que "o céu é o limite".
A Matter of Size
Enquanto a energia solar está apenas começando a alcançar a paridade de grade, a energia eólica já está lá. Em 2014, o preço médio mundial de energia eólica onshore era o mesmo que a eletricidade a partir de gás natural, de acordo com a Bloomberg New Energy Finance.
Tal como acontece com a energia solar, o crédito vai para os avanços tecnológicos e aumento de volume. Para o vento, no entanto, a inovação tem sido principalmente uma questão de tamanho. De 1981 a 2015, o comprimento médio de uma pá de rotor de turbina eólica aumentou mais de seis vezes, de 9 metros para 60 metros, como o custo da energia eólica tem caiu por um fator de 10.
“Aumentar o tamanho do rotor significa que você está capturando mais energia, e esse é o fator mais importante na redução do custo da energia eólica”, diz D. Todd Griffith, da empresa. Sandia National Laboratories em Albuquerque, Novo México.
Griffith supervisionou recentemente a construção e teste de protótipos de várias lâminas 100 metros de comprimento no Sandia. Quando o projeto começou em 2009, as maiores lâminas em operação comercial foram 60 metros de comprimento. Griffith e seus colegas queriam ver o quão longe eles poderiam empurrar a tendência de lâminas crescentes antes que correu para limitações de design e materiais.
"Estou plenamente de esperar para ver lâminas metros 100 e além." - D. Todd GriffithTheir primeiro protótipo era uma lâmina de todo-fibra de vidro que usou desenhos e materiais semelhantes aos encontrados em lâminas comerciais relativamente menores na época. O resultado foi um proibitivamente pesada lâmina 126-ton que era tão fino e comprido que era suscetível a vibrações em ventos fortes e tensão gravitacional.
O grupo fez dois protótipos subseqüentes usando fibra de carbono mais forte e mais leve e uma forma de lâmina que era plana-apoiada em vez de afiada-afiada. A lâmina 100 resultante foi 60 por cento mais leve do que seu protótipo inicial
Desde o início do projeto em 2009, as maiores pás usadas em turbinas eólicas offshore comerciais cresceram de medidores 60 para aproximadamente 80 com protótipos comerciais maiores, agora em desenvolvimento. "Eu espero ver as lâminas do medidor 100 e além", diz Griffith.
Como lâminas crescer mais, as torres que os elevam estão ficando mais alto para pegar mais consistente, maior velocidade do vento. E, como torres de crescer mais alto, custos de transporte estão crescendo cada vez mais caro. Para combater o aumento dos custos GE Recentemente, estreou uma torre de "armação espacial", uma torre de treliça de aço envolta em tecido. As novas torres usam cerca de 30 por cento a menos de aço que as torres convencionais da mesma altura e podem ser entregues inteiramente em contêineres de tamanho padrão para montagem no local. A empresa recebeu recentemente uma doação de US $ 3.7 milhões do Departamento de Energia dos EUA para desenvolver lâminas espaciais similares.
Inovação Offshore
Como os painéis solares de silício cristalino, no entanto, a tecnologia eólica existente acabará por se deparar com limites de material. Outra inovação no horizonte do vento está relacionada à localização. Os parques eólicos estão se deslocando para a costa em busca de maiores recursos eólicos e menos conflitos de uso da terra. Quanto mais longe da costa eles chegam, mais profunda é a água, tornando o método atual de fixar as turbinas no fundo do mar proibitivamente caro. Se, em vez disso, a indústria se deslocar para estruturas de suporte flutuantes, o projeto de turbinas eólicas de topo pesado de hoje provavelmente se mostrará pesado demais.
Uma solução potencial é uma turbina de eixo vertical, em que o eixo do rotor principal é colocado verticalmente, como um carrossel, em vez de horizontalmente como uma turbina eólica convencional. O gerador de tal turbina poderia ser colocado ao nível do mar, dando ao dispositivo um centro de gravidade muito mais baixo.
"Há uma boa chance de que algum outro tipo de tecnologia de turbina, muito bem eixo vertical, seja o mais econômico em águas profundas", diz Griffith.
A última década produziu inovações notáveis na tecnologia solar e eólica, trazendo melhorias em eficiência e custo que, em alguns casos, excederam as expectativas mais otimistas. O que a próxima década trará ainda não está claro, mas se a história é um guia, o futuro das energias renováveis parece extremamente positivo. 
Este artigo foi publicado originalmente em Ensia
Sobre o autor
Phil McKenna é um escritor freelance interessado na convergência de indivíduos fascinantes e idéias intrigantes. Ele escreve principalmente sobre energia e meio ambiente com foco nos indivíduos por trás das notícias. Seu trabalho aparece em O New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER e NOVA, onde ele é um editor contribuinte.
