O aproveitamento térmico da energia solar é feito desde a antiguidade por nossa sociedade, sendo uma forma simples e eficiente de conversão de energia para diversas aplicações, desde aquecimento de água, insumo para processos industriais, desidratação e cocção de alimentos até para geração de eletricidade.
Os edifícios comerciais, públicos e residenciais são responsáveis por grande parte do consumo de energia elétrica no Brasil e, nas residências brasileiras, o chuveiro elétrico é o equipamento com maior participação nesse consumo. Uma alternativa para reduzir o consumo de eletricidade, principalmente no setor residencial, é o emprego de aquecedores solares da água. A Figura 6.1 ilustra o funcionamento de um aquecedor solar residencial.
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Figura 6.1 - Esquema de um sistema de baixo custo para aquecimento doméstico da água empregando calor solar.
O Estado da Paraíba, embora não apresente altas amplitudes térmicas ao longo do ano se comparado aos estados do sul e sudeste, ainda pode se beneficiar com o aproveitamento da energia termossolar em processos industriais que demandam água aquecida. A indústria têxtil e as agroindústrias, como laticínios e galpões de beneficiamento de frutas, são alguns exemplos de setores que poderiam abater o consumo elétrico (ou de lenha) a partir do aquecimento termossolar para seus processos industriais.
A energia solar térmica também pode ser utilizada para a geração de eletricidade. Plantas heliotérmicas ou CSP (Concentrated Solar Power) estão sendo desenvolvidas em caráter experimental e até comercial no intuito de agregar estabilidade à geração de eletricidade solar. Os concentradores consistem em campos de espelhos, na configuração torre central, ou calhas parabólicas/espelhos Fresnel na concentração linear (a Figura 2.10, citada anteriormente, ilustra esses sistemas). Em ambos, o calor é utilizado para vaporizar um fluido e mover turbinas convencionais acopladas a geradores. Plantas com torres centrais ainda encontram obstáculos para sua implantação no Brasil pela alta variabilidade da irradiação solar nos locais de maior insolação, devido às características da atmosfera tropical, além dos custos elevados de implantação e operação, que tornam estes projetos ainda pouco competitivos. Por outro lado, soluções híbridas que combinam um concentrador solar linear a outra fonte de calor complementar (como biomassa) vem ganhando atenção e podem se tornar alternativas importantes para compor o parque gerador brasileiro no futuro.
Embora a radiação solar não constitua uma fonte de energia despachável visto que é dependente das flutuações do ambiente meteorológico, usinas híbridas solar-eólicas têm surgido como uma alternativa para redução dessa variabilidade no parque gerador, além de reduzir custos pelo compartilhamento de infraestrutura. Nesse contexto, os estados do nordeste brasileiro se destacam pela abundância dessas duas fontes de energia. Ademais, considerando-se que o SIN é alimentado principalmente por usinas hidrelétricas, apresentando consequentemente forte dependência do regime hídrico, pode se beneficiar com a penetração da fonte solar. Por norma, períodos de seca se caracterizam por menor nebulosidade, portanto, maiores níveis de irradiação solar. Períodos de ventos (alísios) mais intensos também se caracterizam por menor precipitação na região nordeste, como diversos estudos já mostraram. Sendo assim, a complementaridade entre as fontes hídrica-solar-eólica (Figura 6.2) se apresenta como uma importante oportunidade para maximizar o emprego das energias renováveis com segurança e baixo impacto ambiental.
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Figura 6.2 - Diagrama sistematizando de possíveis complementariedades entre as fontes renováveis assim como respectivas escalas de variabilidade.
Fonte: André Gonçalves, 2017.
O hidrogênio produzido a partir de fontes renováveis de energia, conhecido com hidrogênio verde, desponta como um novo vetor energético para a descarbonização das matrizes de energia no mundo todo. Além dos mercados já tradicionais de fertilizantes, refino e outros usos (como gases industriais e hospitalares, dentre outros), novos mercados para o hidrogênio verde podem ser desenvolvidos nos segmentos de transporte, geração elétrica, armazenamento de energia e processos industriais. Metas de neutralidade climática e de segurança energética, tem levado economias sólidas de países na Europa e Ásia a lançar investimentos importantes de fomento a uma transição energética baseada no hidrogênio verde. Contudo, muitos desses países não dispõem de farto potencial de energia renovável como o Brasil, desfavorecendo sua produção local e abre um mercado promissor para exportação dessa commodity pelo Brasil. Particularmente os estados do nordeste brasileiro possuem altos níveis de irradiação solar ao longo do ano, com baixíssima variabilidade interanual e decenal e tais condições poderiam ser ideais para o desenvolvimento de plantas geradoras de hidrogênio verde. Contudo, a produção do hidrogênio verde através da eletrólise de água, requer mais de 18 litros de água doce para produzir um quilograma de hidrogênio, considerando-se o estágio atual da tecnologia. Isso representa um desafio em um estado onde os recursos hídricos são escassos, exatamente onde ocorrem os maiores níveis de irradiação solar. A Figura 6.3 apresenta o esquema de produção do hidrogênio verde.
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Figura 6.3 - Processo produtivo do hidrogênio verde, considerando-se a energia elétrica advinda das fontes renováveis solar e eólica.
A geração de energia solar desempenha um papel importante no paradigma de crescimento econômico moderno, sustentável e com baixo impacto ambiental. Como fonte livre de emissões durante a geração de eletricidade, a energia solar pode reduzir as emissões de CO₂ do setor de geração elétrica, uma vez que cada MWh de energia gerada empregando a fonte solar evita entre 534 e 1143 kg de CO₂ equivalentes emitidos para a atmosfera em plantas termoelétricas alimentadas com combustíveis fosseis.
A diversificação e eletrificação da matriz energética brasileira representa uma oportunidade ambiental e econômica se realizada em bases predominantemente renováveis. Neste contexto, a energia solar se destaca entre as tecnologias de baixo carbono em pelo menos três aspectos determinantes:
A evolução rápida de sistemas de armazenamento, como baterias, armazenamento térmico, ou, futuramente, o hidrogênio verde, soma-se aos ganhos promovidos pela energia solar, pois permitirá impulsionar a descarbonização de setores mais difíceis, tais como o transporte e as indústrias do cimento e siderúrgica. Nessa esteira, a energia solar se apresenta como a principal alternativa para um posicionamento estratégico do país no mercado de hidrogênio verde, podendo tornar o Brasil um dos países mais competitivos do mundo neste produto no longo prazo.
Segundo dados da Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica (ABSOLAR), o emprego de tecnologias de aproveitamento da energia solar já gerou mais de 390 mil postos de trabalho entre 2012 e 2020, sendo a maior parcela destes oriunda do segmento de geração distribuída, devido à forte expansão desse setor. A geração de empregos diretos ocorre principalmente nas atividades de instalação de sistemas fotovoltaicos, beneficiando principalmente o perfil de ensino médio profissionalizante conforme ilustra a Figura 6.4. Os empregos indiretos estão associados a cadeia do aço, alumínio, cobre e do concreto, pelos materiais utilizados nas instalações.
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Figura 6.4 - Perfil de atuação dos empregos diretos gerados pelo setor de energia solar.
Fonte: ABSOLAR.
Para o estudo da variabilidade climática foram selecionadas quatro importantes cidades representativas do Estado da Paraíba, apresentadas na Figura 6.5.
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Figura 6.5 - Localidades representativas para as quais foram gerados gráficos de variabilidade: João Pessoa, Campina Grande, Patos e Sousa.
O recurso solar apresenta como característica uma elevada variabilidade diária devido ao ciclo diurno e uma moderada variabilidade intrasazonal. No Estado da Paraíba, onde a média anual de irradiação global é de 5,71 kWh/m², os totais diários podem variar de 2,0 kWh/m² a 8,0 kWh/m², dependendo dos sistemas meteorológicos atuantes. Por outro lado, o recurso solar apresenta uma baixa variabilidade ao longo dos anos para o Estado da Paraíba, de modo que a variação entre um ano de maior potencial e outro de menor potencial solar é, tipicamente, inferior a 5,0% em torno de seu valor médio climatológico, como mostra a Figura 6.6. Esta variabilidade é inferior do que a variabilidade sazonal, mostrada pelos extremos dos gráficos de caixa (box plots). Estes dados demonstram a grande estabilidade interanual da geração solar quando comparado a outras fontes renováveis disponíveis na região, como a eólica e hídrica. Quanto às tendências, cenários climáticos futuros apontam uma discreta redução (de 1% a 2%) no potencial solar nas mesorregiões do Sertão Parai-bano, Borborema e Agreste Paraibano até o meio do século, embora exista ainda grande incerteza sobre estes impactos.
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Download do gráfico
de João Pessoa 
Figura 6.6 - Gráficos da variabilidade climática do recurso solar em quatro localidades representativas: João Pessoa, Campina Grande, Patos e Sousa. O gráfico de caixas (superior) mostra a variabilidade sazonal através da distribuição das médias mensais ao longo do ano. A média anual se encontra em linha tracejada. O gráfico de variação (inferior) mostra a variação das médias anuais em torno da média de longo prazo (climatológica).
Observando a variação da irradiação solar nas quatro localidades, percebe-se que o recurso de energia solar apresentou uma variação positiva nos anos de 2015 e 2016 em todas as localidades. Por outro lado, o recurso solar apresentou valores abaixo da média nos quatro locais em 2018, com redução de até 3,5% em relação à média do período de 10 anos.
A Figura 6.7 mostra a variabilidade diária para cada componente da irradiação solar na Paraíba estimada pelo desvio-padrão (σ) dos totais diários de irradiação ao longo dos anos. Em princípio, o desvio-padrão pode ser útil para estimar o quão diferentes os dias são em torno da média (μ), de modo que μ +/- σ contém 68,2% dos dias, μ +/- 2σ contém 95,6% dos dias e assim por diante, assumindo distribuições aproximadamente gaussianas.
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Figura 6.7 - Desvio-padrão (σ) dos totais diários de irradiação (a) global horizontal; (b) global inclinada; (c) direta normal e (d) difusa horizontal obtidos ao longo dos anos de 2012 a 2021.
Nota-se pelos mapas que a maior variabilidade da GHI (superior a 600 Wh/m2) ocorre na porção sudoeste da região intermediária de Campina Grande (próximo ao município de Monteiro), além de pequenas porções das regiões intermediárias de João Pessoa (próximo ao litoral) e de Patos. A DNI, por outro lado, apresenta maior variabilidade a noroeste da região intermediária de Souza-Cajazeiras, chegando a valores superiores a 800 Wh/m². A irradiação global no plano inclinado (GTI) apresenta uma variabilidade 20% inferior à GHI, atingindo valores máximos de na faixa de 500 Wh/m². A DHI apresenta baixa variabilidade em todo estado, com valores absolutos na faixa de 150 – 300 wh/m².
