Apresentação António Vallêra Universidade de Lisboa 3ª Conferência Anual do EnergyIN

406 visualizações

Publicada em

Os caminhos da Energia Solar: Desafios e oportunidades para a indústria nacional
Apresentação António Vallêra Universidade de Lisboa 3ª Conferência Anual do EnergyIN

Publicada em: Educação
0 comentários
2 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
406
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
1
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
9
Comentários
0
Gostaram
2
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Apresentação António Vallêra Universidade de Lisboa 3ª Conferência Anual do EnergyIN

  1. 1. 1António Vallêra – 2013 Os caminhos da Energia Solar: Desafios e oportunidades para a indústria nacional António Vallêra Universidade de Lisboa (SESUL/FCUL) SDSIL (Solar Ribbons) Inovação tecnológica em curso: oportunidade ou ameaça?
  2. 2. Plano: 1. O contexto 2. Inovação em curso: a) Na tecnologia de base: célula e painel b) No sistema: c) Na rede local d) Na rede global 3. Conclusões António Vallêra – 2013 2
  3. 3. Plano: 1. O contexto: Vem aí a energia solar em larga escala! António Vallêra – 2013 3 (Temos de nos preparar!)
  4. 4. 1.1 O recurso solar Questão: PV em larga escala é possível? António Vallêra – 2013 4
  5. 5. Radiação solar Foquemo-nos na Terra, e respondamos à seguinte questão: Qual a energia da radiação solar que incide na Terra durante um ano? R: Cerca de 10 000x10 000x10 000x10 000x o consumo anual total de energia actual
  6. 6. http://sunbird.jrc.it/pvgis/pv/index.htm P: Que área de painéis seria necessária para satisfazer todas as necessidades actuais de energia eléctrica em Portugal (com tecnologia actual)? R: ~ 20m2 por pessoa ~ ordem da área edificada << área das estradas Portugal:Portugal:Portugal:Portugal: Irradiação anual acumulada [kWh/m2]
  7. 7. 1.1 O recurso solar Conclusão: PV em larga escala é possível! António Vallêra – 2013
  8. 8. 1.2 Mas o mercado global ... Deve estar a abrandar, com a crise... António Vallêra – 2013 8
  9. 9. A energia solar fotovoltaica é cara! Bars: forecast 2010 forecast 2008 Market values
  10. 10. Fonte: EPIA – Global Market Outlook until 2016 PV: um mercado em início de explosão Mercado mundial • Potência instalada atingiu em Fev 2013 100 000 MW • Instalados ~ 31 000 MW de nova capacidade em 2012 • Crescimento médio anual de 20% • Valor actual da indústria: 77 000 milhões de dólares 10
  11. 11. 1.2 O mercado glogal... Deve estar a abrandar, com a crise... Conclusão: Não! Pelo contrário, O mercado global está a explodir! António Vallêra – 2013 11
  12. 12. 1.3 Um estudo de caso: os EUA António Vallêra – 2013 12
  13. 13. Fonte: Sunshot Program, NREL Um estudo de caso: os EUA Em 2010, é lançado o programa SunShot Fundamentos: • Se o custo de um sistema de energia solar fotovoltaica fosse caindo até 1$/W nos próximos ~15 anos, a energia solar iria explodir, podendo vir a satisfazer 14% de toda a produção elétrica nos EUA já em 2030, sem subsídios • Isso só é possível pela via da evolução da tecnologia, pelo que o governo federal decidiu investir fortemente em pesquisa tecnológica ao longo de toda a fileira do PV 13
  14. 14. Fonte: Sunshot Program, NREL Um estudo de caso: os EUA 14
  15. 15. Fonte: Sunshot Program, NREL EUA: Sunshot program Objectivo final: Atingir um custo de sistema PV de 1$/W • Atingir 2.2$/W em 2016 • Atingir 1$/W em 2030 Um estudo de caso: os EUA 15
  16. 16. Custos em queda: Os EUA já atingiram, em 2012, o objectivo previsto para 2016, 2,2 $/W ! Este custo coloca a energia elétrica fotovoltaica já ao mesmo nível do custo da nova nuclear, ~0.11$/kWh! Um estudo de caso: os EUA 16
  17. 17. Fonte: http://www.seia.org/research-resources/solar-industry-data http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2013/03/another-banner-year-for-solar-power-industry-breaks-records- in-2012?cmpid=WNL-Friday-March15-2013 PV: um mercado em explosão Estados Unidos da América • Instalados 3 313 MW de nova capacidade em 2012 • Crescimento médio anual de 50% Um estudo de caso: os EUA 17
  18. 18. Fonte: http://www.seia.org/research-resources/solar-industry-data http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2013/03/another-banner-year-for-solar-power-industry-breaks-records- in-2012?cmpid=WNL-Friday-March15-2013 Um estudo de caso: os EUA PV: um mercado em explosão Estados Unidos da América • Mercado de 11 500 M$ • 120 000 postos de trabalho • Mais de 5600 empresas das quais mais de 650 de manufatura industrial 18
  19. 19. Conclusão: A explosão do solar fotovoltaico já se iniciou nos EUA, com investimentos em projetos solares em 2012 já com valor de 11 500 milhões de dólares por ano e crescimento de 50% ao ano. Um estudo de caso: os EUA 19
  20. 20. 1.3 ... e o futuro António Vallêra – 2013 20
  21. 21. Perspetivas para o mercado global para a Energia Solar Fotovoltaica: Estudos actuais prevêem um enorme investimento nos próximos anos: relatório da McKinsey aponta para ~1 trilião de dólares* até 2020 * 1012 dólares 21
  22. 22. Estudo da McKinsey “Solar Power: darkest before dawn”, Apr 2012 PV: o mercado vai explodir Mercado mundial • O investimento mundial na energia solar poderá atingir 1 trilião* de dólares até 2020. * 1 milhão de milhões de dólares 22
  23. 23. Mas a futura penetração maciça de energia solar fotovoltaica não será travada por causar problemas à rede elétrica? Uma resposta vem da Alemanha: a energia solar atingiu quase 50% da potência da rede em Maio de 2012, sem problemas de maior: (mas...) 23
  24. 24. Uma visão do futuro (no presente): A geração elétrica numa semana de Maio de 2012 na Alemanha (país com a mais elevada penetração da energia solar fotovoltaica na rede elétrica) •A produção solar fotovoltaica atingiu 22 000 MW •Chegou a atingir quase 50% da energia injetada na rede •Satisfez os picos de maior consumo, reduzindo os custos da energia 24
  25. 25. Plano: 1. O contexto 2. Inovação em curso: a) Na tecnologia de base: célula e painel b) No sistema: c) Na rede local d) Na rede global 3. Conclusões António Vallêra – 2013 25
  26. 26. Tecnologias fotovoltaicas: rendimentos de conversão Recorde em Laboratório Record em produção Produção Módulo c-Si mono Silício monocristalino 24,5% 22,4% 16 - 22% 13 - 19% c-Si multi Silício policristalino 20,4% 18,0% 14 - 18% 11 - 15% a-Si Silício amorfo 10,4% 7,1% 4 - 7% 4 - 7% a-Si/µµµµ-Si Silício amorfo / microcristalino 13,2% 10,0% 7 - 9% 7 - 9% Cd-Te Telurieto de cádmio (II-VI) 16,7% 11,2% 10 - 11% 10 - 11% CIS Selenieto de cobre e índio (gálio) 20,3% 12,1% 7 - 12% 7 - 12% CPV III-V Tripla junção monolítica 41,6% - 39,0% 15 - 25% Dye s. cells Grätzel cells (electroquímicas) 12,5% - 2 - 4% 2 - 4% Orgânicas Poliméricas 7,9% - - - ... Silício Filmes finos Tecn. Emergentes" Tecnologias António Vallêra – 2012 26 PV: Tecnologias em competição
  27. 27. 1. The context a) The resource António Vallêra – 2012 27
  28. 28. Cuidado! 1. O mercado é que decide, não a nossa classificação como “emergente” or “futura”! 2. A eficiência é importante, mas é apenas um dos parâmetros que determinam o CUSTO. 3. O CUSTO do sistema (€/W), ou melhor ainda, o custo da energia (€/kWh), é o foco principal da indústria PV – e da I&D. António Vallêra – 2012 Materiais em competição:
  29. 29. Silicon vs Thin Films: evolution of market share António Vallêra – 2012 29
  30. 30. António Vallêra – 2013 30 Um estudo de caso: o SILÍCIO Q: Até onde podem baixar os custos dos painéis de silício?
  31. 31. António Vallêra – 2013 Back to the old learning curve! 2011 Evolução dos preços dos painéis de silício (1976 – 2011) Silicon module Spot price, 2 Nov 2011: 1.065 $/W 31 2012
  32. 32. Desde que a “bolha do silício” rebentou*, os preços do módulos solares cairam muito rapidamente: de 2010 a 2013, o preço spot caiu de um factor de 2,5x! Esta queda dos preços sustenta a explosão que se verifica nos mercados, apesar dos incentivos decrescentes. * Durante a “bolha” (2003- 2010), o silício, a matéria prima principal, chegou aos 500$/kg, mais de 25x o seu custo de produção! Os preços extremamente elevados eram devidos à escassez do silício, enquanto a indústria fotovoltaica não criou a sua própria produção e se autonomizou relativamente à indústria da microeletrónica. O silício custa hoje menos de 20$/kg. O preço dos módulos caiu para 1/5 do seu valor em 2008. 32
  33. 33. SR - 33 Silicon technology value chain Value chain of c-Si technology (shown also: alternative SDS path) Materials/products Prices €/kg Prices €/watt Operations Margins Number of Players SDS operation gross margin Silica <0.1€/kg Reduction 1.7 €/kg ~20 Mg-Si (99%pure) 1.8 €/kg 0.005 €/W Gasification /purification 16 €/kg* ~10 Gaseous feedstock 18 €/kg* 0.05 €/W# Si reduction in Siemens reactor 34 €/kg 0.08 €/W* ~10 Solar grade silicon (polysilicon) 52 €/kg 0.13 €/W # SDS Crystallization 56 €/kg 0.07 €/W ~50 Gross margin: Si ingot 78 €/kg 0.20 €/W# 0.48 – 0.05 = 0,43 €/W Ingot sawing 84 €/kg 0.48 €/W ~50 Si Wafer 192 €/kg 0.48 €/W Cell processing 0,21 €/W ~100 Solar cell 286 €/kg 0.71 €/W Cell to module 0,29 €/W ~1000 Modules - 1.00 €/W * Estimated, based on equipment provider privately cited costs plus a margin; note that other items are prices. # Takes into account the amount of silicon actually used in a solar cell, not the wasted material. . Main source: market spot prices May 2011 (PVInsights)
  34. 34. 1. Um factor de custo: A BOLACHA (wafer) de silício (A 0.2 €/W, representa 35% do custo do painel) 34
  35. 35. Porque é a wafer tão cara? António Vallêra – 2012 SR - 35
  36. 36. Claro que a wafer tem de ser cara, porque o silício é muito caro! Preconceito: António Vallêra – 2012 SR - 36
  37. 37. Olhemos com mais cuidado: Quanto custa o silício que uma célula contém realmente (2,4 g/W)? Desafio: António Vallêra – 2012 SR - 37 0.04 €/W ! (@ 20$/kg) (0.025 €/W se considerarmos o gás, em vez do polysilicon sólido)
  38. 38. O custo é sobretudo o da transformação gás wafer 2.5 25 c€/W e não do silício per se! Desafio: António Vallêra – 2012 SR - 38
  39. 39. António Vallêra – 2012 SR - 39 0,22€/W (33%) 0,28€/W (40%) 0,19€/W (27%) Feedstock Crystalization Ingot sawing Wafer selling price (2010) = 0.69 €/W
  40. 40. Podemos agora responder: Porque é a wafer tão cara? Porque a tecnologia atual toma uma matéria prima cara, de extrema pureza, e então Usa muita energia e equipmento muito caro para a processar; Contamina-a usando consumíveis muito caros (cadinhos); E depois deita fora 60 a 75% do precioso material resultante! Can we do better? (Estamos a ser injustos, claro. O facto é que esta tecnologia tão desperdiçadora do silício é a única que até agora produz consistentemente wafers de boa qualidade)
  41. 41. Can we do better? Uma resposta vem do nosso laboratório: 41
  42. 42. SR - 42 Si Gas feedstock Polysilicon Deposition Crystallization Standard wafering Solar cell and module Slim-Cut zero kerf Innovative concepts I António Vallêra – 2012
  43. 43. SR - 43 Stress activation Si substrate (ingot) to be re-used Solar cell processing Cleaning/polishing Crack initiation and propagation Stress-inducing layer Etching Slim-Cut (Colaboration with IMEC+…) António Vallêra – 2012
  44. 44. SR - 44 50 µm 10 cm2 wafer Slim-Cut 1 cm2 solar cell Eff = 10% António Vallêra – 2012
  45. 45. SR - 45 Si Gas feedstock Polysilicon Deposition Crystallization Standard wafering Solar cell and module EZ-ribbon Slim-Cut zero kerf Innovative concepts II António Vallêra – 2012
  46. 46. SR - 46 Silicon pellets feeding Silicon ribbon growth Electric currentSilicon slab V 1 cm António Vallêra – 2012
  47. 47. SR - 47 Si Gas feedstock Polysilicon Deposition Crystallization Standard wafering Solar cell and module SDS EZ-ribbon Slim-Cut zero kerf Innovative concepts III António Vallêra – 2012
  48. 48. SDS: fast film deposition (video) 2. What SDS does
  49. 49. António Vallêra – 2013 49 How SDS compares Even at a low selling price of 0.22 €/W, the advanced technology, at a SDS wafer cost of 0.07 €/W, assures a large margin. SDS cost structure (advanced techn.) SDS cost structure @ advanced technology (by simulation of a future factory of 1.4GW/year) Total = assumed wafer selling price of 0.22€/W (assumed for medium term future; present=0.48 €/W) 14.6% 5.9% 3.3% 9.3% 67.0% Fábrica 2 (selling price: 0.22 €/W) Silane + mat + consum Energy Personnel Investment Gross margin
  50. 50. António Vallêra – 2012 SR - 50 Quão baixo é este custo, 0.07 €/W ? Suponhamos que outros factores de custo baixariam na mesma proporção; então o custo final de um sistem PV poseria ser 0.3 €/W ! ¼ da eólica! Isto não é realista no médio termo, e não é usado em projeções do custo final de painéis ou sistemas, evidentemente. Numa estimativa mais realista: se tomarmos valores atuais para os custos wafer-célula-painel, custos <0.50 €/W para os painéis seriam imediatamente possíveis.
  51. 51. 2. Um factor de custo: A Célula de silício (A transformação WAFER – CÉLULA, a 0.14€/W, representa 25% do custo do painel) Can we do better? 51
  52. 52. António Vallêra – 2012 SR - 52 1. Atualmente, metade dos custos do processo de transformação wafer - célula são as pastas de prata para os contactos! Inovação: em pleno desenvolvimento processos que reduzem enormemente a necessidade da prata.
  53. 53. SR - 53António Vallêra – 2012 A modern silicon solar cell:
  54. 54. António Vallêra – 2012 SR - 54 2. Se aumentarmos a eficiência da célula, todos os custos se reduzem em €/W! Inovações em desenvolvimento: 1. Na calha: passivação da traseira da célula por dielétrico, contactos pontuais; ... 2. Aumento marginal da eficiência: plasmónica, conversores de luz, banda intermédia, ... 3. Aumento radical da eficiência: célula de filme fino em tandem com o silício: do máximo prático de 25% para o teórico de 42.5%!
  55. 55. 3. Um factor de custo: Célula - painel (A integração Célula - painel, a 0.27€/W, representa 39% do custo do painel) Can we do better? 55
  56. 56. Inovação em curso: 1. Modificação dos contactos (stringing): + soldadura + back-contacting 2. Sistemas de monitorização de qualidade, automação, ... 3. Caixilhos (substituição do alumínio) 4. Design para integração arquitetónica, ... 5. ... António Vallêra – 2013 56
  57. 57. Plano: 1. O contexto 2. Inovação em curso: a) Na tecnologia de base: célula e painel b) No sistema: c) Na rede local d) Na rede global 3. Conclusões António Vallêra – 2013 57
  58. 58. Sistemas em competição: • Painéis fixos vs seguidores solares • Painel plano vs Concentrador • Integrado em edifícios vs montado no solo • Micro/mini sistemas vs grande escala • Ligado à rede vs sistema autónomo • Com armazenamento vs sem armaz. • ... António Vallêra – 2012
  59. 59. António Vallêra – 2012 SR - 59 Onde são benvindas inovações no sistema? 1. Integração / arquitetura 2. Montagem (estrutura mecânica e elétrica) 3. Sistemas de seguimento e concentração 4. Gestão da potência: o inversor (a 0.18€/W, representa 34% do custo dos painéis!) 5. Gestão da energia: armazenamento
  60. 60. Plano: 1. O contexto 2. Inovação em curso: a) Na tecnologia de base: célula e painel b) No sistema c) Na rede local d) Na rede global 3. Conclusões António Vallêra – 2013 60
  61. 61. Plano: 1. O contexto 2. Inovação em curso: a) Na tecnologia de base: célula e painel b) No sistema c) Na rede local d) Na rede global 3. Conclusões António Vallêra – 2013 61
  62. 62. Mensagem final: António Vallêra – 2013 Energia Solar Fotovoltaica: Temos de nos preparar para a sua penetração em larga escala! (vai mesmo acontecer)
  63. 63. Mensagem final: António Vallêra – 2013 Preparar: • Políticas públicas: (apoio à criação de um ecosistema favorável) • Regulação/incentivos (procurar equilíbrios win-win): regras simples, claras, estáveis no tempo – traçando no presente um caminho para o futuro • Apoio à certificação e formação • Apoio à I&D, às empresas, à demonstração • Organização privada
  64. 64. CONCLUSÕES • A tecnologia solar fotovoltaica tem evoluido continuamente, com um decréscimo de custos superior a 15x nos últimos 30 anos; • É a tecnologia, não o volume, o principal responsável pelos custos atuais dos módulos bem abaixo de 1€/W; • Possibilidades de redução de custos para valores ainda muito inferiores foram identificadas; • A corrida tecnológica está longe de decidida, com vários competidores em boa posição para atingirem o Graal: produção em muito grande escala sem subsídios (sem necessidade de nenhuma bala de prata!) António Vallêra – 2012
  65. 65. CONCLUSÕES • A indústria solar fotovoltaica está em profunda transformação • Identificámos algumas áreas de inovação (em curso ou potenciais) nas quais há enormes oportunidades para quem • entender as questões e • tiver capacidade para as saber aproveitar António Vallêra – 2012 Inovação tecnológica em curso: oportunidade ou ameaça?
  66. 66. Obrigado! António Vallêra – 2013

×