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Para melhores dias, mude a sua energia!

Energia é o combustível do universo, sabe-se que é através dela que tudo se transforma, de forma física aos materialistas e de forma espiritual para os mais esotéricos. Ela se faz tão presente a todos os instantes que poucos param para pensar se as energias que nos rodeiam são transformadas de forma mais sustentável, ou não. Muitos focam bastante em como é administrado o dia a dia e “gasta-se” essa energia: ter uma alimentação saudável, beber bastante água, praticar exercícios, enfim, manter mente e corpo saudável. Já a energia que chega nas tomadas é simplesmente aceita. Todo mês vem a conta e as pessoas se limitam a questionar o quanto foi gasto, e não como está sendo produzido. O Brasil, por ser um país continental, possui uma malha energética complexa composta de energias renováveis e não renováveis. Considera-se energia renovável aquela que não produz resíduos na sua geração, e não o impacto de instalação considerado. Assim o país computa uma malha onde mais de 85% de energia é renovável por conta de uma característica muito particular que é a presença da hidrelétricas, conforme observada na figura 1.

Figura 1- Distribuição da Energia Interna do Brasil em 2019. Créditos: EPE (2019).

Segundo a Empresa de Pesquisa Energética – EPE (BRASIL, 2019), o país produziu nesse ano 651,3 TWh de energia no total. As fontes limpas que comp~eo 85% desse valor são eólica, biomassa, solar, nuclear e hidrelétrica. Um comparativo feito pela Empresa de Pesquisa Energética para o ano de 2016 compara a geração renovável da Matriz Energética Elétrica do Brasil  com todo o mundo.

Figura 2 – Comparação de energia elétrica renovável e não renovável. Crédito: EPE, 2016.

Esses dados podem gerar uma certa comodidade na população vendo o quão superior na produção limpa o país é. Então por que devemos nos preocupar? E a resposta desta pergunta é simples.

Por uma característica geológica, nossa principal fonte de energia limpa vem das usinas hidrelétricas. Em comparação com outras fontes, essa era a forma menos custosa e prática para geração de energia. A ideia de preservação do meio ambiente e a não-geração de resíduos não citam o passivo das suas construções. Inclusive há controvérsias de informações, pois enquanto alguns dizem que ela é totalmente limpa, há um enorme passivo ambiental nas construções das barragens e o impacto irreversível no deslocamento das populações ribeirinhas, além de alagamentos de imensas florestas, processo de eutrofização das represas e seus efeitos sobre a qualidade da água e a emissão de carbono. (Bursztyn, 2020).

A energia hidrelétrica é limpa, porém não é infinita; dependemos dos rios e seus potenciais para que haja luz nas residências, indústrias, cidades. E nos últimos anos o país tem sofrido muito com a falta de chuva: seca de quase sete anos no Nordeste, escassez de água em São Paulo, e neste ano no estado do Paraná, local da 2ª maior usina hidrelétrica do mundo, a quantidade de chuvas foi muito abaixo do nível normal. Sem chuva não há reabastecimento nas represas que foram planejadas por séries históricas (calcula-se o período de maior seca e planeja a barragem para suprir essa deficiência). Mas se a crise hídrica atual é maior do que a para qual a usina foi calculada, ela não terá água para gerar energia. É também por isso que precisamos pensar se a energia escolhida no século passado é suficiente para suprir as demandas atual e futura.

Pensando dessa maneira devemos avaliar entre outras formas de produzir energia renovável  quais têm mais potencial para serem desenvolvidas hoje com as novas tecnologias.  Uma das respostas está, literalmente, em cima das nossas cabeças: o Sol.

Como foi visto na figura 1, o Brasil explora pouco a energia solar se comparada às demais energias instaladas e a razão é porque ela depende mais do interesse de cada consumidor do que do governo em si. Usinas solares têm valores de instalações muito elevados em comparação à eólica, por exemplo, e acaba não sendo viável para investir neste tipo de negócio a curto prazo. Mas ela pode transformar uma residência em sua própria usina, não gastando mais para ter luz. É desta maneira que 75% da geração distribuída de energia solar no país é produzida em residências (Moreira Jr. e Souza, 2018).

Uma instalação residencial traz independência da Matriz Energética, ou seja, em casos como o que ocorreu recentemente no Amapá onde o estado ficou 22 dias sem energia elétrica, quem tinha instalação de painéis fotovoltaicos não ficou sem energia.

Algumas pessoas têm dúvida com relação a capacidade de produção, pois a eficiência dos painéis raramente chega a mais de 20%. i Parece pouco, mas a energia solar é abundante e gratuita, além de não prejudicar o meio ambiente, não faltar em outro sistema, e continuar presente, se não for utilizada.

Outra dúvida frequente é a questão de instalação em locais que tem inverno mais rigoroso, com baixas temperaturas por três, quatro meses no ano. A geração de energia fotovoltaica não depende do quanto o Sol pode esquentar uma placa, e sim do uso da incidência do raio eletromagnético que transformará essa onda em energia elétrica. Um exemplo é a Alemanha que segundo Moreira Jr. e Souza (2018) recebe 40% menos incidência solar média que o lugar com incidência mais baixa no Brasil. E mesmo assim lá o investimento em geração fotovoltaica é tão estimulado que eles já detêm mais de 13% de todas as placas solares fotovoltaicas do mundo (figura 3).

Figura 3 – Painéis solares na Alemanha. Crédito: Portal solar (2017).

Usando como base a capital considerada mais fria do país durante o inverno, que é Curitiba, a radiação de plano inclinado, que é o valor usado para cálculo de capacidade de geração, é mostrada na figura 4.

Figura 4 – Incidência solar no plano inclinado em Curitiba 2019. Crédito: Atlas Solar Paraná.

            Já em Fortaleza, conhecida como a Capital da Luz, a incidência é a demonstrada na figura 5.

Figura 5 – Incidência solar no plano inclinado em Fortaleza 2019. Crédito: Cresesb.

 Apesar de haver nitidamente uma irradiação muito maior no verão na cidade nordestina do que em Curitiba, o importante é que a irradiação mínima nos dois casos não é muito diferente, indicando que, apesar do frio, a incidência solar em Curitiba continua viável para a instalação de painéis fotovoltaicos.

Aotimização das placas fotovoltaicas também depende da instalação na residência. A posição e inclinação das placas é fundamental, e para isso o local é fundamental para que o projeto seja eficiente. Posicioná-las voltadas ao Norte e na ausência de sombras são condições ideais, como mostrado na figura 6. Desta maneira a captação ocorrerá da forma mais eficiente, ou seja, aproximando daqueles 20%, falados anteriormente.

Figura 6 – Posição ideal da placa fotovoltaica. Crédito: eletronica-pt.com

       A quantidade de placas instaladas determinará o quanto de energia elétrica será produzida, se o suficiente ou maior do que a casa necessita. Para isso é interessante levantar um histórico de consumo de energia elétrica e observar qual a demanda necessária para a residência. Tendo este valor, e a área do espaço que há possibilidade de instalação, a incidência de plano inclinado e a capacidade de produção da placa por metro quadrado, conseguimos calcular quantas placas são possíveis de instalar e quanto irão produzir.

 Outra decisão importante é a escolha do sistema: on grid ou off grid (figura 7).

Figura 7- Sistema on grid e off grid. Crédito: Diamont Renewables.

       No sistema off grid a instalação é autônoma, independente da rede. A produção, consumo e armazenamento ocorre em um sistema fechado. Sistema ideal para locais remotos de difícil acesso à rede elétrica. O sistema on grid  é ligado à rede elétrica que fica com a sua produção excedente, que pode ser “devolvida” quando o seu sistema produz pouco. Essa “devolução” não envolve dinheiro, mas  funciona com um crédito energético válido por 60 meses que, dependendo do tipo de instalação, o proprietário pode consumir ou transferir para outros consumidores. Muitos usuários utilizam esse crédito para momentos em que a placa não produz, como nos períodos noturnos, geralmente momentos em que o consumo da casa é maior.

       Os custos de compra e instalação dos painéis solares fotovoltaicos estão barateando ao longo dos anos por conta do aumento da demanda. Assim o payback do investimento, ou seja, a compensação entre custo e economia que será feita, que já foi de 10 anos está atualmente em torno de 3 a 4 anos. Depois desse período o sistema gerará energia sem gerar gastos até finalizar a vida útil do equipamento que gira em torno de 25 anos, considerando que a manutenção seja realizada de forma adequada.

       A energia solar fotovoltaica além de se mostrar bastante viável no Brasil é uma forma realmente sustentável de produção: desafoga as linhas hidrelétricas e evita o uso das termelétricas, que são mais poluentes. É uma medida que não traz benefícios somente para o proprietário, mas uma ação humanitária considerando que o planeta é responsabilidade de todos nós.

       Então, quem puder, aproveite, porque o Sol é de todos.

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Referências

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Resolução Normativa n. 687, de 24 de novembro
de 2015. Disponível em: http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2015687.pdf. Acesso em: 26 nov 2020.

AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Resolução Normativa n. 482, de 17 de abril de 2012.
Disponível em: http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2012482.pdf. Acesso em: 26 nov 2020.

BRASIL. Empresa de pesquisa energética. Balanço Covid-19 – Impactos nos mercados de energia no Brasil: 1º semestre de 2020. Disponível em: https://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/balanco-covid-19-impactos-nos-mercados-de-energia-no-brasil-1-semestre-de-2020. Acesso em: 26 nov 2020.

BURSZTYN, M. Energia solar e desenvolvimento sustentável no Semiárido: o desafio da integração de políticas públicas. Estudos Avançados. [online], vol.34, n.98, pp.167-186, 2020.

MOREIRA JR, O.; SOUZA, C.C. Aproveitamento fotovoltaico, análise comparativa entre Brasil e Alemanha. Revista INTERAÇÕES, Campo Grande, MS, v. 21, n. 2, p. 379-387, abr./jun. 2020.

LIRA, M.A.T.; MELO, M.L.S.; RODRIGUES, L.M.; SOUZA, T.R.M. Contribuição dos Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica para a Redução de CO2 no Estado do Ceará. Revista Brasileira de Meteorologia, v. 34, n. 3, 389 397, jun. 2019


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Precisamos falar sobre espectros (ou sobre energia solar e borboletas)

borboleta Pieres

Borboleta Pieres, por Richard ffrench-                 Constant. Fonte: Ref. [5]

Me sinto um tanto estúpida tentando pontuar em um parágrafo a necessidade urgente de utilizarmos fontes renováveis de energia, nos portando como sociedade sustentável e resiliente. Neste texto, muitos dos aspectos relacionados às alternativas para as matrizes energéticas do planeta deixarão de ser explorados (mas você pode conferir um overview de cálculos de impacto na referência [1] ou de estudos de utilização relacionados à arquitetura em [2] e [3]). O que eu pretendo fazer a seguir é expor – de modo um tanto simplório – a quantas andam os nossos estudos sobre converter luz do Sol em energia elétrica. E o que as borboletas tem a ver com isso.

Basicamente, as tecnologias desenvolvidas a níveis relevantes para captação de luz solar podem ser divididas em duas grandes categorias: fotovoltaicas e concentradoras de luz solar [1].

As fotovoltaicas excitam elétrons em comprimentos de onda específicos gerando corrente elétrica. Entretanto, não é uma tarefa simples aproveitar toda a energia do Sol que chega à Terra. A figura abaixo mostra a gama de comprimentos de onda (e consequentemente energia) do Sol.

Comprimentos de onda que atingem a Terra. Adaptado de: https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight

Comprimentos de onda que atingem a Terra. Adaptado de: en.wikipedia.org/wiki/Sunlight

“Oh, não! Um gráfico”!

Humano, se acalme! Isso não precisa doer. Respire fundo e olhe com calma. Estamos recebendo energias do Sol com comprimentos de onda que variam, aproximadamente, de 250 a 2500 nanometros (É o que nos dizem os números no eixo horizontal).  A cor avermelhada sinaliza quanto de cada comprimento estamos recebendo, ao nível do mar. Dá pra ver que os comprimentos de onda “preferidos” do Sol estão em torno de 500 nm, basta observar que nessa região (entre as linhas pontilhadas) a mancha vermelha é maior. Ainda assim existe muita energia disponível para além das linhas pontilhadas.

E então? Sabe aquela palestra maravilhosa sobre um assunto interessantíssimo, mas muito rápida e cheia de informação? Mesmo querendo muito, você não consegue aproveitar todo o conteúdo. Algo parecido acontece com a energia que o Sol nos entrega. Ainda não conseguimos um jeito de absorver todos esses comprimentos de onda e convertê-los em eletricidade de um modo eficiente e economicamente viável. Sabemos de várias ligas semicondutoras que podem transformar luz solar em corrente elétrica (Si, GaAs, GaInAsP e GaPN, por exemplo), porém cada um desses materiais consegue aproveitar energia em uma faixa relativamente pequena de comprimentos de onda. A partir daí cada grupo de pesquisa interessado neste assunto samba para encaixar combinações que possam ter a maior eficiência possível (converter a maior quantidade de energia absorvida em energia elétrica). Para as células solares fotovoltaicas mais modernas, por exemplo a eficiência está próxima aos 50% – o que é bastante, visto que quando esse tipo de estudo começou (1941) a eficiência era de 2%.  Ainda assim, esse tipo de dispositivo perde toda energia coletada em forma de calor. Para aumentar o desempenho destas células é possível, por exemplo, recorrer às células multijunção, compostas por camadas de diferentes materiais empilhadas.

“Ok! Então pegamos diferentes materiais, empilhamos e cada um coleta sua faixa de energia, absorvendo todo o espectro! Resolvido!”

A. C. Noob.

Bom, nem vai dar. Para formar uma célula multijunção, os materiais precisam combinar algumas características entre si (o parâmetro de rede, para quem quiser ir mais a fundo) e isso depende por exemplo, de descobrir a porcentagem exata de cada elemento, em uma liga de modo que entre cada átomo desse material exista o espaço certinho necessário para “casar” essa estrutura com a próxima camada. Isso tudo sem alterar a região em que ele está absorvendo. Um verdadeiro quebra cabeça. Só que com as peças espalhadas nas escadarias de Hogwarts.

No que tange à conversão de calor em energia elétrica, os grandes concentradores de calor fazem uso de espelhos e lentes para concentrar o calor do Sol em uma pequena área (mais ou menos como a história da lupa e a formiga). Esse calor pode ser convertido em energia elétrica com o auxílio de geradores ou reações termoquímicas. É possível ver um pouco mais sobre o aproveitamento do calor absorvido do Sol aqui.

Infelizmente, se quiséssemos abastecer uma grande cidade com energia solar proveniente de qualquer uma das tecnologias apresentadas, com a eficiência que temos disponível, precisaríamos ocupar enormes áreas com painéis gigantes. Isso é muito caro, grande, pesado e impactante. Em outras palavras, ainda é inviável.

Felizmente, no último mês, um curioso estudo baseado em uma visão biomimetista (ciência que estuda modelos da natureza e aplica esses designers e processos para resolver problemas humanos) apresentou soluções que encaminham os concentradores solares para uma versão mais leve e eficiente. O estudo desenvolvido por Katie Shanks e colegas partiu da observação de que as borboletas do gênero Pieris que, em dias nublados, levavam menos tempo para aquecer sua musculatura e voar quando comparadas com outras borboletas. Supondo que isso se devia ao fato da borboleta aquecer suas asas em um formato “V” ao invés de aquecê-las completamente abertas, Katie e seus colegas constataram, a partir de imagens de uma câmera no infravermelho, que a eficiência em um ângulo otimizado entre as asas era 42,3% maior do que com as asas abertas.

Imagens mostrando o maior acúmulo de calor para asas em posição "V".

Imagens mostrando o maior acúmulo de calor para asas em posição “V”. Fonte: Ref. [5]

Além do formato em V ser interessante para a concentração do calor, a estrutura da asa deste grupo de borboletas é extremamente leve e reflexiva, de modo que a imitação desta estrutura pode vir a ser extremamente útil na concepção de novos materiais reflexivos onde o peso se faz uma questão relevante.

Agora é torcer e trabalhar duro para que novas ideias, biomiméticas ou não, componham o quadro de conhecimento existente até atingirmos unicamente o consumo de uma energia limpa – por cada vez mais borboletas aquecendo músculos por aí.

Referências:

  1. Renewable and Sustainable Energy Reviews: Environmental impacts of utility-scale solar energy – R.R. Hernandez et. al. (2014).
  2. SHC 2013, International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and IndustryTypical values for active solar energy in urban planning. Jouri Kantersa, Maria Walla, Marie-Claude Dubois (2013)
  3. SHC 2013, International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry: The solar map as a knowledge base for solar energy use. Jouri Kantersa, Maria Walla, Marie-Claude Dubois (2013)
  4. Mémoire présenté en vue de l’obtention du Diplôme National d’Habilitation à Diriger les Recherches Ecole doctorale “Sciences de la matière. Charles Cornet. Université de Rennes 1, França. (2014)
  5. Nature: White butterflies as solar photovoltaic concentrators. Katie Shanks1, S. Senthilarasu1, Richard H. ffench-Constant2 & Tapas K. Mallick1