Tecnologia Fotovoltaica

Tecnologia Fotovoltaica

(Parte 1 de 5)

Arthur José Gerbasi da Silva

Aprovada por:

_ Prof. Alexandre Salem Szklo, D.Sc.

_ Prof. Giovani Vitória Machado, D.Sc.

_ Prof. Marcos Aurélio Vasconcelos Freitas, D.Sc.

_ Prof. Ricardo Rüther, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL MARÇO DE 2006

Investimento de Empresas de Petróleo em

Energia Fotovoltaica: O Caso da BP Solar e Motivações da Petrobras [Rio de Janeiro] 2006

XV, 186 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Planejamento Energético, 2006)

Dissertação – Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE 1. Energia Fotovoltaica 2. Estratégias de Empresas de Petróleo 3. BP Solar 4. Petrobras I. COPPE/UFRJ I. Título (série)

Para minha irmã. Para minha irmã.

Agradeço a meu pai e a minha mãe, pelo apoio que sempre me deram.

Agradeço a todos os professores que tive até aqui, pelos ensinamentos e pelo auxílio no amadurecimento profissional. Agradeço especialmente ao meu orientador, Prof. Alexandre Salem Szklo, por sua atenção, suas sugestões e por me motivar e me estimular a terminar esta dissertação, apesar de algumas adversidades.

Agradeço ao Baratelli e a meus colegas e amigos, da Petrobras e da COPPE, pelo apoio e incentivo. Em especial, agradeço ao Paulo Isabel e à Raquel, que me incentivaram em momentos difíceis, e à Bianca, que me apoiou no trabalho para que eu pudesse me dedicar a escrever esta dissertação.

Agradeço à Petrobras, pelo suporte e pela oportunidade de realizar este trabalho.

Agradeço, enfim, a todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho, mas que não pude citar nominalmente.

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

Arthur José Gerbasi da Silva

Março / 2006

Orientador: Alexandre Salem Szklo Programa: Planejamento Energético

Este estudo avalia os motivos que levaram as companhias de petróleo a investir em energias renováveis e mais especificamente em energia solar fotovoltaica, como no caso da BP, e analisa se a Petrobras poderia se beneficiar com investimentos na fabricação de módulos fotovoltaicos. Inicialmente, a tecnologia fotovoltaica e o mercado da indústria fotovoltaica são contextualizados e é realizada uma análise das estratégias climáticas das empresas de petróleo. Em seguida, é enfocada a estratégia de diversificação da BP para energia solar fotovoltaica e feita uma análise do caso da Petrobras, avaliando os benefícios que poderiam ser obtidos através da sua participação na indústria fotovoltaica, a partir de 3 motivações: empresarial, social e marca. Finalmente, são relatadas as conclusões do estudo e realizadas recomendações para estudos futuros. No Apêndice A são descritos os princípios de funcionamento de uma célula fotovoltaica e no Apêndice B há um histórico da BP.

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

Arthur José Gerbasi da Silva

March / 2006 Advisor: Alexandre Salem Szklo

Department: Energy Planning Program

This study evaluates the motives that led oil companies to diversify its investments into renewable energies and, more specifically, in photovoltaic energy, as in BP’s case, and analyzes if Petrobras could benefit from investing in the production of photovoltaic modules. First, photovoltaic technologies and the photovoltaic industry’s market are described and the climatic strategies of the oil companies are evaluated. Then, BP’s strategy of diversifying into photovoltaic energy is studied and Petrobras’ case is analyzed to evaluate the benefits that could be obtained through its entrance in the photovoltaic industry, from 3 viewpoints: business, social and brand name. Finally, the study’s conclusions are reported and suggestions for further studies are made. Appendix A holds a description of the working principles of a photovoltaic cell and Appendix B shows BP’s history.

Figura 1 – Casca Cilíndrica de Silício de 50 cm de diâmetro produzido pela ASE Americas (GOETZBERGER et al., 2003, p. 16) 23

Figura 2 - Célula típica de Silício amorfo (GOETZBERGER et al., 2003, p. 28) 31

Figura 3 - Estrutura da célula solar de Telureto de Cádmio (CdTe) (DIEHL et al., 2005, p. 32) 3

Figura 4 - Estrutura da célula solar CIGS (DIEHL et al., 2005, p. 3) 35

Figura 5 – Estrutura da célula solar fotovoltaica sensibilizada por corante (DSSC) (GOETZBERGER et al., 2003, p. 39) 38

Figura 6 - Um dispositivo fotovoltaico (direita) é o oposto de um LED (esquerda) (SPANGGAARD e KREBS, 2004, p. 128) 40

Figura 7 - Previsão de eficiência de células fotovoltaicas em escala de laboratório (GOETZBERGER et al., 2002, p. 10) 42

Figura 8 - Eficiência quântica externa de uma célula fotovoltaica de junção simples do tipo I-V (Arseneto de Gálio em substrato de Germânio) (VEISSID, 2005) 4

Figura 9 - Eficiência quântica externa de uma célula de junção tripla do tipo I-V (VEISSID, 2005) 45

Figura 10 - Capacidade fotovoltaica total acumulada e capacidade fotovoltaica instalada anualmente no Japão (IKKI et al., 2005, p. 2852) 52

Figura 1 - Participação das diferentes tecnologias nas vendas totais de células fotovoltaicas de filme fino em 2002 (43,8 MWp) (MAYCOCK apud JÄGER-WALDAU, 2004b, p. 669) 65

Figura 12 - Sistema para produção de 3 MWp/ano de módulos de filme fino de Silício amorfo (Si-a), da fábrica RWE-Schott Solar, na Alemanha (DIEHL et al., 2005, p. 331) 67

Figura 13 - Sistema para a produção de 10 MWp/ano de módulos de filme fino de Telureto de

Cádmio (CdTe), da fábrica da Antec Solar Energy Gmbh, na Alemanha (DIEHL et al., 2005, p. 331) 68

Figura 14 - Visão parcial da linha piloto de produção de módulos de filme fino de tecnologia CIS, da Würth Solar Gmbh, na Alemanha (DIEHL et al., 2005, p. 332) 69

Figura 15 – Curva de aprendizagem para a produção de módulos fotovoltaicos entre 1976 e 1996. O fator de aprendizagem está em torno de 20% (VAN DER ZWAAN e RABL, 2004) 133

Figura 16 - Corte de uma célula fotovoltaica típica (DEPARTMENT OF ENERGY - EUA, 2005b) 178

Figura 17 - Símbolo da BP usado de 1989 a 2002, conhecido como “Escudo Verde” (WIKIPEDIA - THE FREE ENCYCLOPEDIA, 2005a, tradução nossa) 185

Figura 18 - Símbolo da BP adotado em 2002, conhecido como “helios” (WIKIPEDIA - THE FREE ENCYCLOPEDIA, 2005a) 186

Tabela 1 – ”Energy Pay Back Time”, incluindo a moldura e a estrutura de suporte, das principais tecnologias de produção de módulos fotovoltaicos (baseado em dados obtidos em ALSEMA e NIEUWLAAR, 2000, p. 1001-1004, passim) 28

Tabela 2 - Mercado fotovoltaico mundial por aplicação (MAYCOCK, 2005, p. 19) 47

Tabela 3 - Produção mundial de células / módulos fotovoltaicos em MWp/ano, por região (MAYCOCK, 2005, p. 19) 56

Tabela 4 - Custo de geração de energia elétrica a partir de diferentes fontes de energia .(AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA - ANEEL, 2006; ALONSO, 2006; NUCLEAR ENERGY AGENCY et al., 2005; ROGOL et al., 2004, p. 5) 58

Tabela 5 - Participação das principais companhias nas vendas mundiais de células / módulos fotovoltaicos e sua posição no “ranking” (PV NEWS apud MAYCOCK, 2005, p. 19) 59

Tabela 6 - Produção mundial de células / módulos fotovoltaicos em 2004, por tecnologia (MAYCOCK, 2005, p. 20) 60

Tabela 7 - Estimativas de custos diretos de produção e preços para diferentes tecnologias de produção de módulos fotovoltaicos (JÄGER-WALDAU, 2004b, p. 668) 63

Tabela 8 - Estimativa da participação no mercado de diferentes tecnologias de produção de células solares fotovoltaicas até 2020 (JÄGER-WALDAU, 2004a) 70

Tabela 9 - Vendas e faturamento da empresa Heliodinâmica no período 1981-1984 (o ano 1981 é tomado como referência) (HELIODINÂMICA apud TOLMASQUIM, 2003, p. 294) 72

Tabela 10 – Posições de algumas companhias de petróleo com relação às mudanças climáticas globais (KOLK e LEVY, 2001, p. 502) 76

Tabela 1 – Fatores importantes para a explicação das decisões das companhias sobre mudanças climáticas (KOLK e LEVY, 2001, p. 503) 78

Tabela 12 - Comparação de características de fontes de energia 116 Tabela 13 - Posição competitiva em relação à governança climática (COGAN, 2006) 123

Tabela 14 - Comparação entre custos da energia fotovoltaica e preço da energia da rede elétrica (centavos de US$/kWh) (ROGOL et al., 2004, p. 1) 134

Tabela 15 – Previsão de custos de produção de módulos fotovoltaicos de filme fino, para uma capacidade de 20 MWp/ano (KESHNER e ARYA, 2004) 136

Tabela 16 - Redução de custos que poderia ser obtida com a produção, no Brasil, de módulos fotovoltaicos de filme fino, devido à diferença de custos de mão-de-obra e energia elétrica, em relação aos EUA 137

Tabela 17 - Estimativa de custos de implantação e tempo de retorno do investimento do sistema híbrido de São Tomé (PINHO et al., 2004, p. 2341-2342) 141

Tabela 18 - Patrocínios da Petrobras em 2004 (PETROBRAS, 2005a, p. 34) 142

Tabela 19 - Estimativa do potencial de um programa de incentivo à utilização de sistemas fotovoltaicos no sistema Petrobras 144

AIOC Anglo-Iranian Oil Company ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica APOC Anglo-Persian Oil Company ARCO Atlantic Richfield Company BP British Petroleum Company BR Petrobras Distribuidora CEEE Companhia Estadual de Energia Elétrica CENPES Centro de Pesquisas da Petrobras CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CGEE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos COPPE Coordenação dos Programas de Pós-graduação de Engenharia CTE Comitê Tecnológico Estratégico CTO Comitê Tecnológico Operacional E&P Exploração e Produção EUA Estados Unidos da América FINEP Financiadora de Estudos e Projetos FRONAPE Frota Nacional de Petroleiros GCC Global Climate Coalition IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IME Instituto Militar de Engenharia IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change MCT Ministério da Ciência e Tecnologia MDL Mecanismo de Desenvolvimento Limpo MME Ministério de Minas e Energia

MUSIC FM Multi-Megawatt Upscaling of Silicon and Thin Film Solar Cell and Module Manufacturing

NREL National Renewable Energy Laboratory OMC Organização Mundial do Comércio PPT Programa Prioritário de Termeletricidade PRODEEM Programa de Desenvolvimento Energético dos Estados e Municípios PUC-RS Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul RJ Rio de Janeiro RS Rio Grande do Sul SIGEA Sistema de Gestão de Emissões Atmosféricas

SP São Paulo STI Sustainable Technologies International TCU Tribunal de Contas da União UEMG Universidade Estadual de Minas Gerais UFPA Universidade Federal do Pará UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro UFSC Universidade Federal de Santa Catarina UN-RN/CE Unidade de Negócios do Rio Grande do Norte / Ceará WEF World Economic Forum µ-Si Silício microcristalino AEAC Álcool Etílico Anidro Combustível AEHC Álcool Etílico Hidratado Combustível a-Si on Cz Slice Heterojunções com filme fino intrínseco a-Si Silício amorfo a-Si/Mono Si Heterojunções com filme fino intrínseco BIPV Building Integrated Photovoltaic BOS Balance of System C-ISOL Conta de Consumo de Combustíveis dos Sistemas Isolados CEO Chief Executive Officer CIGS Copper Indium Gallium Diselenide CIS Copper Indium Diselenide c-Si Silício cristalino CSS Close-Spaced Sublimation CT-Energ Fundo Setorial de Energia CT-Petro Fundo Setorial do Petróleo e Gás DSSC Dye-Sensitized Solar Cell Eletrosul Eletrosul – Centrais Elétricas S.A EPBT Energy Pay Back Time GEE Gás de Efeito Estufa GTL Gas to Liquids HIT Heterojunction with Intrinsic Thin Layer HMA Highly Mismatched Alloy HT-f-Si Silício cristalino de filme fino a alta temperatura ITO Indium-Tin-Oxide LED Light Emitting Diode LT-f-Si Silício cristalino de filme fino a baixa temperatura mc-Si Silício multicristalino n-Si Silício nanocristalino ONG Organização Não Governamental pc-Si Silício policristalino Petrobras Petróleo Brasileiro S.A. Proálcool Programa Nacional do Álcool PV Photovoltaic

Sohio Standard Oil of Ohio TCO Transparent Conducting Oxide UB Unidade de Bombeio Wp Watt pico

INTRODUÇÃO 16

1 ESTADO DA ARTE DA ENERGIA FOTOVOLTAICA E SUAS APLICAÇÕES 18 1.1 HISTÓRICO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS 18 1.2 TECNOLOGIAS 19 1.2.1 "Wafers" de Silício 20 1.2.2 Células fotovoltaicas 24 1.2.3 Tecnologias mais avançadas 25 1.2.4 Células fotovoltaicas de filme fino 27 1.2.4.1 As vantagens do filme fino 27 1.2.4.2 Células de ligas de Silício amorfo 29 1.2.4.2.1 Propriedades 29 1.2.4.2.2 Desenho de células amorfas 30 1.2.4.3 Semicondutores compostos policristalinos de filme fino 32 1.2.4.4 Células de Silício cristalino de filme fino 36 1.2.4.5 Células sensibilizadas por corantes 37 1.2.4.6 Células orgânicas 39 1.3 PERSPECTIVAS DE DESENVOLVIMENTO 41 1.4 APLICAÇÕES 47 1.4.1 Espacial 48 1.4.2 Autônoma industrial 48 1.4.3 Autônoma não-industrial 49 1.4.3.1 Comunidades remotas 49 1.4.3.2 Sistemas solares residenciais 50 1.4.3.3 Casas remotas 50 1.4.4 Produtos eletrônicos portáteis 50 1.4.5 Sistemas conectados à rede 51 1.4.5.1 Sistemas distribuídos conectados à rede 53 1.4.5.2 Sistemas centrais conectados à rede 54

2 O MERCADO FOTOVOLTAICO 5 2.1 SEGMENTOS 57 2.2 PRINCIPAIS PARTICIPANTES 58 2.3 PARTICIPAÇÃO DAS DIFERENTES TECNOLOGIAS 59

2.3.1 Custos de fabricação das diferentes tecnologias 62 2.4 O MERCADO BRASILEIRO 71 2.5 TENDÊNCIAS 74

3 AS ESTRATÉGIAS CLIMÁTICAS DAS COMPANHIAS DE PETRÓLEO 75

3.1 FATORES QUE INFLUENCIAM AS ESTRATÉGIAS CLIMÁTICAS DAS COMPANHIAS DE PETRÓLEO 7

3.1.1 A localização e a mudança 78 3.1.1.1 Fatores sócio-culturais 79 3.1.1.2 Contexto regulatório 82 3.1.2 Posição econômica e no mercado 85 3.1.3 Fatores organizacionais internos 8 3.2 AVALIAÇÃO DAS PRESSÕES E MOTIVAÇÕES 91 3.3 O CONTEXTO BRASILEIRO 95 3.3.1 A Petrobras e a implantação do Proálcool 9 3.3.2 Ações da Petrobras para a mitigação das emissões de gases de efeito estufa 100

4 ESTRATÉGIA DE DIVERSIFICAÇÃO DA BP PARA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 104

4.1 HISTÓRICO DA BP SOLAR 104 4.1.1 1973 – 1984 104 4.1.2 1985 – 1990 104 4.1.3 1991 – 1995 105 4.1.4 1996 – 1999 105 4.1.5 1999 – Presente 106 4.2 A ESTRATÉGIA DA BP 107 4.2.1 A mudança de posição da BP em relação à indústria 108 4.2.2 A pesquisa em tecnologias de energia 1 4.2.3 A construção de cenários para o planejamento de longo prazo 112 4.2.4 Algumas conseqüências da decisão da BP 118 4.2.5 O foco estratégico nas mudanças climáticas globais 119

5 A PETROBRAS 125

5.1 HISTÓRICO DAS ATIVIDADES DA PETROBRAS EM ENERGIAS RENOVÁVEIS 125

5.2 ATIVIDADES DESENVOLVIDAS NA ÁREA DE ENERGIA FOTOVOLTAICA 127 5.2.1 Instalação de sistemas fotovoltaicos distribuídos integrados à rede elétrica 128

5.2.2 Instalação de uma unidade de bombeio de petróleo (UB) acionada por energia fotovoltaica em um poço terrestre 129

5.2.4 Implantação de um sistema isolado híbrido fotovoltaico - eólico - diesel de geração de energia elétrica 130

5.2.5 Implantação de uma fábrica piloto de módulos fotovoltaicos de Silício cristalino 131 5.2.6 Fabricação de células fotovoltaicas de Silício cristalino de filme fino 131 5.3 MOTIVAÇÕES PARA O INVESTIMENTO NA INDÚSTRIA FOTOVOLTAICA 131 5.3.1 Motivação empresarial 132 5.3.2 Motivação social 139 5.3.3 Motivação para a marca 141

CONCLUSÕES 148

RECOMENDAÇÕES PARA ESTUDOS FUTUROS 156

REFERÊNCIAS 158

APÊNDICE A - PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DE UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA 177

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