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

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 painel
b) No sistema:
c) Na rede local
d) Na rede global
3. Conclusões
António Vallêra – 2013 2

Plano:
1. O contexto:
Vem aí a energia solar em larga escala!
(Temos de nos preparar!)

1.1 O recurso solar
Questão:
PV em larga escala é possível?

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

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...

A energia solar fotovoltaica
é cara!
Bars: forecast 2010 forecast 2008 Market values

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

1.2 O mercado glogal...
Deve estar a abrandar, com a crise...
Conclusão: Não! Pelo contrário,
O mercado global está a explodir!

1.3 Um estudo de caso: os EUA

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

NREL
14

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

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

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

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

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.
19

1.3 ... e o futuro

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

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

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

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

Plano:
1. O contexto
b) No sistema:
c) Na rede local
d) Na rede global
3. Conclusões

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
PV: Tecnologias em competição

1. The context
a) The resource

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.
Materiais em competição:

Silicon vs Thin Films: evolution of market share

Um estudo de caso: o SILÍCIO
Q: Até onde podem baixar os custos
dos painéis de silício?

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

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

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)
34

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:

Olhemos com mais cuidado:
Quanto custa o silício que uma célula
contém realmente (2,4 g/W)?
Desafio:
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:

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
Polysilicon
Deposition Crystallization
Standard
wafering
Solar cell
and module
Slim-Cut
zero kerf
Innovative concepts I

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+…)

SR - 44
50 µm
10 cm2 wafer
Slim-Cut
1 cm2 solar cell
Eff = 10%

SR - 45
Si Gas
feedstock
Polysilicon
Standard
wafering
Solar cell
and module
EZ-ribbon
Slim-Cut
zero kerf
Innovative concepts II

SR - 46
Silicon pellets
feeding
Silicon ribbon growth
Electric currentSilicon slab
V
1 cm

SR - 47
Si Gas
feedstock
Polysilicon
Standard
wafering
Solar cell
and module
SDS
EZ-ribbon
Slim-Cut
zero kerf
Innovative concepts III

SDS: fast film deposition (video)
2. What SDS does

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

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.

A Célula de silício
(A transformação WAFER – CÉLULA, a 0.14€/W, representa 25% do
custo do painel)
Can we do better?
51

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.

SR - 53António Vallêra – 2012
A modern silicon solar cell:

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%!

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. ...

Plano:
1. O contexto
b) No sistema:
c) Na rede local
d) Na rede global
3. Conclusões

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.
• ...

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
b) No sistema
c) Na rede local
d) Na rede global
3. Conclusões

Mensagem final:
Energia Solar Fotovoltaica:
Temos de nos preparar para a sua
penetração em larga escala!
(vai mesmo acontecer)

Mensagem final:
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 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!)

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
Inovação tecnológica em curso:
oportunidade ou ameaça?

Obrigado!

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