Post on 11-Jul-2015
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?
Plano:
1. O contexto
2. Inovação em curso:
a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistema:c) Na rede locald) Na rede global
3. Conclusões
António Vallêra – 2013 2
Plano:
1. O contexto:
Vem aí a energia solar em larga escala!
António Vallêra – 2013 3
(Temos de nos preparar!)
1.1 O recurso solar
Questão:
PV em larga escala é possível?
António Vallêra – 2013 4
Radiação solarFoquemo-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 000x 10 000x 10 000x 10 000x o consumo anual total de energia actual
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]
1.1 O recurso solar
Conclusão:
PV em larga escala é possível!
António Vallêra – 2013
1.2 Mas o mercado global ...
Deve estar a abrandar, com a crise...
António Vallêra – 2013 8
A energia solar fotovoltaicaé cara!
Bars: forecast 2010 forecast 2008 Market values
Fonte: EPIA – Global Market Outlook until 2016
PV: um mercado em início deexplosão
Mercado mundial
• Potência instalada atingiu emFev 2013 100 000 MW
• Instalados ~ 31 000 MW denova capacidade em 2012
• Crescimento médio anual de20%
• Valor actual da indústria:
77 000 milhões de dólares
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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
1.3 Um estudo de caso: os EUA
António Vallêra – 2013 12
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 até1$/W nos próximos ~15 anos, a energia solar iria explodir, podendo vir asatisfazer 14% de toda a produção elétrica nos EUA já em 2030, semsubsídios
• Isso só é possível pela via da evolução da tecnologia, pelo que ogoverno federal decidiu investir fortemente em pesquisa tecnológica aolongo de toda a fileira do PV
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Fonte: Sunshot Program,
NREL
Um estudo de caso: os EUA
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Fonte: Sunshot Program,
NREL
EUA:Sunshot program
Objectivo final:
Atingir um custo desistema PV de1$/W
• Atingir 2.2$/W em2016
• Atingir 1$/W em2030
Um estudo de caso: os EUA
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Custos em queda:Os EUA já atingiram, em2012, o objectivo previstopara 2016,
2,2 $/W !
Este custo coloca a energiaelétrica fotovoltaica já aomesmo nível do custo danova nuclear, ~0.11$/kWh!
Um estudo de caso: os EUA
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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
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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
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Conclusão:
A explosão do solar fotovoltaico já se iniciou nos EUA,com investimentos em projetos solares em 2012 já comvalor de
11 500 milhões de dólares por ano
e crescimento de 50% ao ano.
Um estudo de caso: os EUA
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1.3 ... e o futuro
António Vallêra – 2013 20
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
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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
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Mas a futura penetração maciça de energia solar fotovoltaicanão 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...)
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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
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Plano:
1. O contexto
2. Inovação em curso:
a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistema:c) Na rede locald) Na rede global
3. Conclusões
António Vallêra – 2013 25
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
1. The contexta) The resource
António Vallêra – 2012 27
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:
Silicon vs Thin Films: evolution of market share
António Vallêra – 2012 29
António Vallêra – 2013 30
Um estudo de caso: o SILÍCIO
Q: Até onde podem baixar os custos dos painéis de silício?
António Vallêra – 2013
Back to the old learning curve! 2011
Evolução dos preços dos painéis de silício
(1976 – 2011)
Silicon moduleSpot price,2 Nov 2011:
1.065 $/W
31
2012
Desde que a “bolha do silício” rebentou*, os preços do módulos solares cairam muitorapidamente: de 2010 a 2013, o preço spot caiu de um factor de 2,5x! Esta queda dospreços sustenta a explosão que se verifica nos mercados, apesar dos incentivosdecrescentes.
* Durante a “bolha” (2003-2010), o silício, a matéria primaprincipal, chegou aos 500$/kg,mais de 25x o seu custo deprodução! Os preçosextremamente elevados eramdevidos à escassez do silício,enquanto a indústriafotovoltaica não criou a suaprópria produção e seautonomizou relativamente àindústria da microeletrónica. Osilício custa hoje menos de20$/kg. O preço dos móduloscaiu para 1/5 do seu valor em2008.
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SR - 33
Silicon technology value chain
Value chain of c-Si technology (shown also: alternative SDS path)
Materials/products Prices €/kg
Prices €/watt Operations Margins
Number of
Players
SDS operation
gross margin
Silica <0.1€/kg
Reduction 1.7 €/kg ~20
Mg-Si (99%pure) 1.8 €/kg 0.005 €/W
Gasification
/purification 16 €/kg* ~10
Gaseous feedstock 18 €/kg* 0.05 €/W#
Si reduction in Siemens reactor
34 €/kg 0.08 €/W* ~10
Solar grade silicon
(polysilicon) 52 €/kg 0.13 €/W#
SDS
Crystallization 56 €/kg
0.07 €/W ~50 Gross
margin:
Si ingot 78 €/kg 0.20 €/W# 0.48 – 0.05 = 0,43 €/W
Ingot sawing 84 €/kg
0.48 €/W ~50
Si Wafer 192 €/kg 0.48 €/W
Cell
processing 0,21 €/W ~100
Solar cell 286 €/kg 0.71 €/W
Cell to module 0,29 €/W ~1000
Modules - 1.00 €/W
* Estimated, based on equipment provider privately cited costs plus a margin; note that other items are prices. # Takes into account the amount of silicon actually used in a solar cell, not the wasted material. . Main source: market spot prices May 2011 (PVInsights)
1. Um factor de custo:
A BOLACHA (wafer) de silício
(A 0.2 €/W, representa 35% do custo do painel)
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Porque é a wafer tão cara?
António Vallêra – 2012 SR - 35
Claro que a wafer tem de ser cara, porque o silício é muito caro!
Preconceito:
António Vallêra – 2012 SR - 36
Olhemos com mais cuidado:
Quanto custa o silício que uma célula contém realmente (2,4 g/W)?
Desafio:
António Vallêra – 2012 SR - 37
0.04 €/W ! (@ 20$/kg)
(0.025 €/W se considerarmos o gás, em vez do polysilicon sólido)
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
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
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)
Can we do better?
Uma resposta vem do nosso laboratório:
41
SR - 42
Si Gas feedstock
PolysiliconDeposition Crystallization
Standard wafering
Solar cell and module
Slim-Cut zero kerf
Innovative concepts I
António Vallêra – 2012
SR - 43
Stress activation
Si substrate (ingot) to be re-used
Solar cell processing
Cle
anin
g/po
lishi
ng
Crack initiation and propagation
Stress-inducing layer
Etching
Slim-Cut (Colaboration with IMEC+…)
António Vallêra – 2012
SR - 44
50 µm
10 cm2 wafer
Slim-Cut
1 cm2 solar cellEff = 10%
António Vallêra – 2012
SR - 45
Si Gas feedstock
PolysiliconDeposition Crystallization
Standard wafering
Solar cell and module
EZ-ribbon
Slim-Cut zero kerf
Innovative concepts II
António Vallêra – 2012
SR - 46
Silicon pellets
feeding
Silicon ribbon growth
Electric currentSilicon slab
V
1 cm
António Vallêra – 2012
SR - 47
Si Gas feedstock
PolysiliconDeposition Crystallization
Standard wafering
Solar cell and module
SDS
EZ-ribbon
Slim-Cut zero kerf
Innovative concepts III
António Vallêra – 2012
SDS: fast film deposition (video)
2. What SDS does
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
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.
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
António Vallêra – 2012 SR - 52
1.
Atualmente, metade dos custos do processo de transformação
wafer - célulasão as pastas de prata para os contactos!
Inovação: em pleno desenvolvimento processos que reduzem enormemente a necessidade da prata.
SR - 53António Vallêra – 2012
A modern silicon solar cell:
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%!
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
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
Plano:
1. O contexto
2. Inovação em curso:
a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistema:c) Na rede locald) Na rede global
3. Conclusões
António Vallêra – 2013 57
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
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
Plano:
1. O contexto
2. Inovação em curso:
a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistemac) Na rede locald) Na rede global
3. Conclusões
António Vallêra – 2013 60
Plano:
1. O contexto
2. Inovação em curso:a) Na tecnologia de base: célula e painelb) No sistemac) Na rede locald) Na rede global
3. Conclusões
António Vallêra – 2013 61
Mensagem final:
António Vallêra – 2013
Energia Solar Fotovoltaica:
Temos de nos preparar para a sua penetração em larga escala!
(vai mesmo acontecer)
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
CONCLUSÕES• A tecnologia solar fotovoltaica tem evoluido continuamente,
com um decréscimo de custos superior a 15x nos últimos30 anos;
• É a tecnologia, não o volume, o principal responsável peloscustos atuais dos módulos bem abaixo de 1€/W;
• Possibilidades de redução de custos para valores aindamuito 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
CONCLUSÕES
• A indústria solar fotovoltaica está em profunda transformação
• Identificámos algumas áreas de inovação (em curso oupotenciais) 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?
Obrigado!
António Vallêra – 2013