O recurso energético mais abundante na natureza é a energia solar; além de mostrar-se uma opção limpa e renovável, a mesma está disponível na taxa de
1000W/m2 em boa parte do dia em quase todos os lugares do Brasil, visto que o Brasil é um país predominantemente tropical. A Terra recebe do sol, a cada hora, uma quantidade de energia maior que a quantidade produzida durante 1 ano (OGURA; JUNIOR, 2004).
As edificações comerciais, residenciais e públicas absorvem cerca de 48% de toda a energia elétrica gasta no Brasil (CARRIÈRES, 2007). Portanto, está nas
edificações um dos “gargalos” de energia do ambiente construído.
Para aproveitar a energia solar em abundância e amenizar o gasto energético em edifícios começou-se a investir e empregar os chamados “BIPV” (Building Integrated Photovoltaics), ou seja, construção de sistema fotovoltáico integrado, que consiste na instalação de grandes módulos fotovoltaicos nas fachadas e coberturas de edifícios, como ilustrado na Figura 16.
Fonte: Jesus; Almeida; Pereira (2005) Figura 16 – Fachada geradora de energia
Este sistema de geração de energia elétrica apresenta várias vantagens, tais como o fato de ser uma geração de energia localizada (distribuída), não havendo perdas de transmissão, ser silenciosa, quase não apresentar custos de manutenção, pois não utiliza combustível, não necessita de mão de obra muito qualificada e não agride o meio ambiente.
A construção de sistemas fotovoltáicos integrados a edifícios pode ser considerada um dos principais investimentos em energia renovável que pode se enquadrar na realidade urbana, pois tal tecnologia não ocupa espaço extra já que pode ser incrementada em materiais construtivos e usada para compor fachadas e coberturas de edificações.
Tais integrações são feitas por placas fotovoltaicas que, em resumo, constituem- se em 3 subcategorias de células solares:
- Monocristalinas e policristalinas, representadas em sua grande maioria por silício, em sua versão mono (obtido através do corte de um lingote de um monocristal de Si puro) e policristalina (corte de um lingote com múltiplos cristais de Si), respectivamente. Estas células representam a chamada 1ª geração de tecnologias fotovoltaicas e detêm cerca de 90% do mercado mundial, sendo 60% mono e 30% policristalina (CASTRO, 2008).
- células de filmes finos (thin-films), tipo de célula solar e que integra a 2ª geração de tecnologias fotovoltaicas e que apareceram a 35 anos visando diminuir a redução no consumo de silício, que é caro e necessita de altas temperaturas na produção e um grau de pureza elevado. Nessa modalidade um material semicondutor ultrafino é colocado entre substratos de grandes áreas como metal, plástico ou vidro, neste último é usado em janelas de casas residenciais pois pode ser fabricado de maneira a deixar passar parte da luz.
Ocupa 300 vezes menos material que as tecnologias cristalinas de Sí, portanto por ser mais leve e mais barato pode vir a ser, no futuro, o mais utilizado em aplicações integradas em fachadas de edifícios. Os filmes finos são em sua maioria feitos de silício amorfo (a-Si), porém existe também no mercado células de diselenieto de cobre e índio (CIS), telurieto de cádmio (CdTe), dentre outras em menor quantidade (TEIXEIRA; CARNEIRO; SILVA; FIÚZA, 2009).
Por ter um rendimento abaixo das tecnologias usuais feitas de cristais de silício os filmes finos necessitam de uma área muito maior para que se gere uma quantidade de potência igual as cristalinas.
- células solares microcristalinas, micromorfas e híbridas (combinação de monocristalina e a-Si), que constituem a 3ª geração, porém ainda estão em baixo desenvolvimento tecnológico.
A Figura 17 apresenta os principais módulos de células solares disponíveis no mercado e a tabela 01 compara as suas eficiências individualmente e em seus respectivos módulos solares.
Fonte: adaptado de VIANA (2011)
Figura 17 – Módulos de Silício disponíveis no mercado
Tabela 01 – Eficiências individuais e em módulos das principais tecnologias
Tecnologia Célula Individual (%) Módulo (%)
Silício Monocristalino 24 13,5
Silício Policristalino 18 11,6
Silício Amorfo (Filme Fino) 12,7 6
Fonte: adaptado de CASTRO (2008)
Uma nova classe de filmes finos feitos de Cobre-Índio-Gálio-di-Selenieto (CIGS) está surgindo no mercado, o mesmo apresenta eficiência de conversão de aproximadamente 12,5%, cerca de 7% mais eficiente que os filmes finos feitos de silício amorfo (a-Si) e com uma vida útil muito maior já que as células de filme fino de a-Sí perdem eficiência rapidamente ao longo de sua vida útil (GOMES, 2009).
Entretanto, nessa tecnologia de células aparecem elementos que são tóxicos e o gálio, material base dessa célula, é escasso na natureza (RÜTHER, 2004).
Independente do módulo fotovoltáico escolhido para o projeto, o resultado qualitativo posterior é o mesmo, ou seja, o módulo gera energia elétrica em corrente contínua (CC), que pode ser armazenada diretamente em baterias ou usada no próprio local, ou pode-se colocar um inversor que transforma o sinal em alternado para posterior devolução para a rede elétrica.
Uma única célula fotovoltaica tem seus pólos positivo e negativo. Nos seus respectivos módulos, o pólo positivo de uma célula é ligado ao negativo da outra e assim sucessivamente já que ligando assim as células, em série, seus potenciais se somam, Figura 18.
Fonte: adaptado de VIANA (2011)
Figura 18 – Montagem do módulo fotovoltaico
Para efeito de se poder mensurar alguns possíveis benefícios de se integrar módulos fotovoltaicos em fachadas de edifícios será calculado quanto de dinheiro se economiza ao se utilizar esse sistema, para isso será calculado um valor médio de energia gerado em 30 dias e multiplicado esse valor em kWh pela tarifa cobrada pela concessionária (EDP Bandeirantes) em $/kWh, em seguida será feita uma comparação do valor economizado de energia com o gasto para adaptar esse sistema no edifício para calcular o payback do investimento.
Para tal feito será feita algumas hipóteses, dentre elas serão consideradas 4 fachadas do edifício compostas por painéis fotovoltaicos de a-Sí (filme fino), depois serão tabelados os valores calculados para as outras 2 tecnologias relevantes. O custo
do a-Sí é 5,26 reais/WP, entretanto deve-se considerar o custo de equipamentos necessários para a instalação como módulos, inversores, cabos e mão de obra; desse modo, o custo da instalação total é cerca de 11,57 reais/WP (GOMES, 2009), sendo que WP significa Watt de pico produzido, referente ao período de maior insolação.
O sol incide no Brasil a uma taxa média P = 1000 W/m2. Será considerado um edifício hipotético, um prédio de seção quadrada de 35 metros por 100 metros de altura (30 andares, cada andar com 3 metros e 30 cm separando laje e piso de andares consecutivos). Portanto, a soma das áreas das faces do prédio será 4x (20 x 100), que resulta 8000 m2. Será descontada 35% dessa área por motivos de espaços obrigatórios como janelas, ar condicionado e sacadas. Logo, a área total (AT) disponível para colocação dos painéis é cerca de AT = 5.200 m
2
Desse modo, o edifício recebera energia do sol a uma taxa dada por P = 1000 W/m2 x 5.200 m2 = 5.200 kW. O rendimento (ƞ) dos módulos fotovoltaicos
de silício amorfo (filme fino) é da ordem dos 6%, conforme Tabela 01. Esse rendimento representa o quanto de potência incidente é de fato transformado em energia elétrica pelos painéis. A potência elétrica (PEL) é dada por:
PEL = ƞ x P = 0,06 x 5.200 kW PEL = 312 kW
O custo da instalação total é dado por:
Custo total = 11,57 reais/WP x 312.000 Wp Custo total = 3.609.840 reais
A energia é gerada (E) neste caso considerando, em uma hipótese pessimista, que a área total AT do prédio ficará exposta 5 horas a radiação solar. Não seria muito razoável supor que a mesma ficasse exposta das 8 até 17h aproximadamente, pois deve-se ressaltar que a radiação que de fato contribui para o efeito fotovoltáico é a perpendicular ao plano dos painéis e que a medida que o dia vai transcorrendo no mínimo uma face fica fora da exposição direta dos raios solares de modo que o próprio prédio faz sombra em uma face. Por essas razões, serão consideradas somente 5 horas diárias. Portanto:
sendo que T é o tempo de exposição a radiação perpendicular de todas as faces, dado por T = 5 h. Desse modo, conclui-se que a energia gerada (EGERADA) por dia é EGERADA = 312 kW x 5 h, ou EGERADA = 1.560 kWh.
A energia gerada por mês (EM) será EGERADA = 30 x 1.560 kWh, o que resulta em
EGERADA = 46.800 kWh.
Esta energia é a disponibilizada pelo sistema; entretanto, a energia devolvida à rede elétrica é um pouco menor, pois se deve ainda levar em consideração que o rendimento do inversor de CC para CA é de 0,90, o pó que se acumula na superfície dos painéis faz o rendimento total cair em 0,07. Normalmente é considerado um reajuste na eficiência do módulo fotovoltaica em função do aumento de temperatura, quando se aumenta a temperatura a eficiência diminui, Tabela 02 , entretanto para a-Sí isso não ocorre (GOMES, 2009).
Tabela 02 – Eficiências a 25 °C e corrigidas para uma temperatura de 45 °C Tecnologia Eficiência (%) do módulo a
Eficiência (%) do módulo corri para 45°C
Silício Monocristalino 13,5 12,42
Silício Policristalino 11,6 10,7
Silício Amorfo (Filme Fino) 6 6
Fonte: adaptado de MIZGIER; MARINOSKI; BRAUN; RÜTHER (2006)
Logo, a energia que pode ser devolvida (EED) a rede elétrica por mês é: EED = 0,9 x 0,93 x 46.800 kWh
EED = 39.172 kWh
Haverá uma economia mensal de dinheiro na medida em que essa energia gerada pelo sistema fotovoltáico integrado deixará de ser comprada da concessionária local.
Para o cálculo dessa economia será usado uma tarifa que um prédio residencial na cidade de Guaratinguetá paga, 0,33reais/ kWh. (EDP, 2011)
Economia mensal de dinheiro = 0,33reais/ kWh x 39.172 kWh Economia mensal de dinheiro = R$ 12.927 ~ R$ 13.000
Esse dinheiro economizado poderia ser revertido para financiar uma academia, piscina, sala de jogos e mesmo pagamento de funcionários.
Estimativa do payback do investimento:
Payback = 3.609.840 reais/12.927 reais/mês Payback ~ 280 meses ~ 23 anos
A tabela 03 indica de maneira resumida os valores calculados acima para revestimento de 350 m2 de fachada considerando exposição máxima a radiação solar por 5 horas diárias, custo específico de instalação para cada tipo de módulo (Cesp), custo total de instalação para cada tipo de módulo (CT) e eficiência corrigida para t=45°C dos respectivos módulos (ƞ). Dentre os valores calculados estão a potência elétrica gerada (Pgerada), a energia gerada por dia (E gerada/dia), a energia gerada por mês (E gerada/mês), a energia elétrica devolvida a rede por mês (EE dev.), economia mensal de dinheiro (Economia/mês) e payback do sistema fotofoltaíco integrado.
Tabela 03 – Parâmetros calculados para o revestimento de 5.200m2
Cesp CT ƞ P gera E gerada/d E gerada/m E dev/m Economia/m PayBa
(reais/W (reais (% (kW (kWh) (kWh) (kWh) R$ anos
Silício Amor 11,57 3.609.8 6 312 1560 46.800 39.171 12.926,62 23,271 Silício
Monocristali 12,27 3.828.2 12, 645,8 3229,2 96.876 81.085,2 26.758,11 11,922 Silício Policrista 12,1 3.775.2 10 556,4 2782 83.460 69.856, 23.052,48 13,647
Embora o investimento inicial no revestimento com painéis de silício monocristalino seja maior, o seu payback é relativamente igual ao das outras tecnologias, pois a geração de energia e consequente devolução da mesma para rede elétrica é muito maior já que possui maio rendimento.
Desse modo, quando o sistema está instalado ele gera uma quantidade de energia elétrica praticamente sem custos, em particular, para esse exemplo apresentado acima, para o caso do silício mono, geraria 26.758,11 reais mensais de economia, tornando a construção fotovoltaica extremamente aconselhável do ponto de vista financeiro, além
de outras vantagens inerentes ao “BIVT” como isolar relativamente o ambiente com
incluir peso extra na construção (JESUS; ALMEIDA; PEREIRA, 2005). Entretanto, embora o fato da indústria fotovoltaica apresentar crescimento significativo em termos de descoberta de novos materiais, materiais mais baratos e mais eficientes essa tecnologia ainda possui alto custo de fabricação e instalação como foi constatado nessa estimativa hipotética feita acima.
É importante salientar que as fachadas prediais que não possuem sistema fotovoltaico integrado tem um custo relativamente alto em função do material escolhido para decorar o prédio, portanto deve-se levar isso em consideração no momento de prever gastos com a construção das fachadas. Caso se queira comparar o
custo da construção convencional com a “BIVT” deve-se saber que gastos com
fachadas convencionais não retornarão nenhum dinheiro, com o passar do tempo, além de, em certos casos, o custo ficar próximo dos painéis fotovoltaicos.
Outro benefício é o fato de os materiais fotovoltaicos converterem uma boa parte da energia solar em energia elétrica; desse modo, a parede do edifício esquentará menos e conduzirá menos calor ocasionando uma redução no uso de trocadores de calor como ar condicionado usado para resfriar o ambiente.
O reconhecimento por parte do governo de que o conceito de sistemas fotovoltaicos integrados tem boas perspectivas é imperativo, e desse modo financiar pesquisas no sentido de abaixar o custo de fabricação e instalação.
Outra ação para incentivar e desse modo alavancar a utilização dessa tecnologia seria subsidiar uma porcentagem dos gastos de instalação do sistema em prédios públicos, por exemplo, ou mesmo dividir os gastos de sobre custos de instalação entre todas as pessoas, assim como fez a Alemanha com relação a qualquer tipo de energia renovável. Esta ação resultou para a Alemanha um gasto anual por pessoa menor que 5 euros; entretanto, em 6 anos os custos de investimento baixaram 40% e a diminuição de gás carbono emitido na atmosfera foi de sete milhões de toneladas ao ano (SACHS, 2007).