Um grupo de pesquisa na Holanda usou modelagem dinâmica para calcular a demanda por materiais fotovoltaicos à base de silício em cenários futuros que incluem a implantação de tecnologias em tandem e back-contact de perovskita-silício, e implica que as metas de emissões líquidas zero de gases de efeito estufa estão sendo alcançadas. O estudo incluiu o cálculo com eficiência do módulo e avanços de intensidade de material.
Observando o crescimento exponencial da energia solar e dos módulos fotovoltaicos baseados em silício e a demanda potencial de materiais, o grupo fez a pergunta sobre quanta influência as escolhas de tecnologia fotovoltaica poderiam ter na demanda por materiais como índio e prata.
Para encontrar as respostas, a equipe usou um modelo de análise dinâmica de fluxo de material (dMFA) desenvolvido especificamente para PV baseado em silício. A metodologia dMFA que eles usaram capturou a dinâmica anual futura na capacidade de implantação fotovoltaica, eficiência do módulo, composições de materiais e participações de mercado para várias tecnologias fotovoltaicas.
“O aspecto mais interessante da pesquisa é o próprio modelo, que inclui a dinâmica anual na eficiência do módulo de capacidade de implantação fotovoltaica, composições de materiais e participações de mercado para várias tecnologias fotovoltaicas até 2050”, disse o principal autor da pesquisa, Chengjian Xu, à pv magazine.
Em sua modelagem, o grupo identificou uma possível escassez de prata e índio, mas também que os avanços tecnológicos, como a melhoria da eficiência do módulo fotovoltaico e a redução da massa de material por área do módulo, são uma oportunidade para afetar a demanda. Por exemplo, a demanda anual por materiais de módulos fotovoltaicos, como silício, alumínio, prata e outros materiais, poderia ser reduzida em 46%, 35%, 30% e 13%, respectivamente, em comparação com cenários sem tais melhorias. Além disso, a reciclagem em circuito fechado pode reduzir a demanda de material em 10% a 30%.
O modelo incluiu uma variedade de tecnologias fotovoltaicas de silício: campo de superfície traseira de alumínio (Al-BSF), emissor passivado e contato traseiro (PERC), contato passivado por óxido de túnel (TOPCon), heterojunções de silício (SHJ), contato traseiro interdigitado (IBC) e tandem de perovskita-silício, em variações em tandem de quatro terminais (4T) e dois terminais (2T).
“Este estudo fornece um roteiro de tecnologia mais abrangente em comparação com os existentes, que geralmente se concentram em um número limitado de tecnologias e ignoram o conjunto perovskita-silício”, disseram os pesquisadores.
As limitações de eficiência foram fixadas em 20% para Al-BSF, 24% para PERC, 26% para TOPCon e SHJ, 26,5% para IBC e 39% para módulos tandem de perovskita-silício. Maior eficiência para módulos fotovoltaicos bifaciais foi levada em consideração.
Os dados históricos da capacidade de implantação fotovoltaica de 2000 a 2022 foram obtidos da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA). Foram utilizados dois cenários futuros de implantação fotovoltaica, um da Agência Internacional de Energia (IEA), representando o cenário fotovoltaico conservador, e um cenário otimista, baseado em previsões feitas em 2021 por outra equipe de pesquisa. Ambos tinham o objetivo de atingir emissões líquidas zero até 2050.
Para a seleção da tecnologia, a equipe utilizou dados do International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) para 2030 e extrapolou ainda para 2050, incorporando estimativas de outras fontes.
Os resultados para o período de 2022 a 2050 indicaram que a demanda por índio pode aumentar entre 38 e 286 vezes o status quo, prata de 4 a 27 vezes, com a demanda de outros materiais aumentando de 2 a 20 vezes, dependendo do cenário de implantação fotovoltaica.
“A demanda de índio e prata é notavelmente influenciada pela escolha da tecnologia fotovoltaica”, disseram os pesquisadores. A demanda cumulativa de índio no período 2022-2050 pode variar de 0 kt em um cenário 100% PERC e TOPCon a 209 kt em um cenário tandem de quatro terminais 100% perovskita-silício. A demanda cumulativa de prata durante o mesmo período pode variar de 144 kt em um cenário fotovoltaico 100% PERC a 1.121 kt com penetração fotovoltaica de heterojunção de silício 100%.
Eles também enfatizaram que as melhorias na intensidade do material podem reduzir a demanda anual por materiais de módulos fotovoltaicos em 46% para silício, 35% para alumínio, 30% para prata e 13% para outros materiais, em comparação com cenários sem tais melhorias.
Além disso, eles disseram: “uma abordagem promissora para mitigar a crescente demanda por matérias-primas é a reciclagem em circuito fechado. Ao implementar processos eficientes de coleta e reciclagem fotovoltaica, a demanda cumulativa de material primário pode ser reduzida em 10% a 30% entre 2022 e 2050”.
A pesquisa é detalhada em “Future material demand for global silicon-based PV modules under net-zero emissions target until 2050“, publicado pela Resources, Conservation and Recycling. Os participantes do estudo eram da Universidade de Tecnologia de Delft e da Universidade de Leiden.
Olhando para o futuro, Xu disse que existem planos para atualizar os dados do roteiro de tecnologia e ampliar ainda mais o escopo da pesquisa para incluir o equilíbrio relevante da demanda de materiais de componentes do sistema em cenários futuros.
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