Nas próximas duas décadas, a tecnologia de transformação de energia térmica solar em eletricidade (CSP - Concentrating Solar Power) será capaz de competir economicamente com a opção de geração por combustíveis fósseis, que tem sido responsável por elevados níveis de emissão de CO2. As regiões com maiores níveis de radiação solar, como o norte da África por exemplo, serão capazes de produzir energia mais “limpa” com sistemas CSP e de exportar o excedente para regiões mais próximas, como a Europa, onde a utilização de energias “limpas” é uma prioridade do Estado.
De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), com adequado suporte governamental, o sistema CSP poderá responder por cerca de 11% da energia produzida no mundo em 2050.
A sua possibilidade de integração com reservatórios térmicos permite que o sistema equilibre a produção (variável em função da radiação solar) e a própria demanda, tornando o sistema “flexível” e confiável.
Contudo, a utilização da tecnologia CSP, como mencionado na publicação deste blog em 15 de setembro, ainda é muito menos difundida em relação à energia fotovoltaica, apesar da primeira usina geradora com este conceito já ter sido implantada há mais de 100 anos para atender a um sistema de irrigação no Egito.
O sistema CSP é composto por espelhos que direcionam e focam a radiação solar em um fluido de transferência de calor (FTC), normalmente um óleo sintético ou sal em estado líquido e que são utilizados para produção de energia elétrica. A concentração da radiação solar acontece sobre um ponto ou sobre elementos lineares por onde circula o fluido de transferência de calor que é então aquecido por esta radiação concentrada.
Diferentemente da geração de energia por painéis fotovoltaicos, a tecnologia CSP requer radiação solar direta não sendo viável em regiões sujeitas à maior nebulosidade, limitando as localidades em que pode ser instalada, sem com isto diminuir o seu potencial de reduzir, nos próximos anos, as emissões de gases do efeito estufa decorrentes da geração de energia no mundo.
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Há dois conceitos básicos de projeto envolvidos em instalações de CSP. No mais antigo deles, fileiras de espelhos concentram radiação solar em tubos instalados na parte côncava do conjunto por onde circula o FTC. O fluido aquecido é então utilizado para produzir vapor e movimentar turbinas geradoras de eletricidade, em instalações que utilizam grandes áreas para captar a energia térmica solar.
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Algumas características do projeto ilustrado:
- Área do complexo: 510 mil m²;
- Produz energia elétrica, na média, em 45% das horas de um ano;
- Capacidade instalada: 100 MW;
- Coletores solares rotacionam para acompanhar o movimento do Sol e atingir maior eficiência;
- Potência capaz de atender 80 mil residências;
- Tanques de armazenamento de calor (sal em estado líquido - aquecido) com capacidade de gerar energia elétrica com turbinas à vapor ao longo de 7 horas sem a presença do Sol;
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Detalhando o princípio de funcionamento:
1) Concentradores solares parabólicos: Concentram a radiação solar em tubulações que ficam em sua parte central através das quais circula um fluído a elevadas temperaturas (FTC);
2) Gerador de vapor: Local para onde o FTC é bombeado para transferir calor à água, transformando-a em vapor;
3) Turbina à vapor: Vapor produzido em alta pressão movimenta a turbina geradora de eletricidade;
4) Transformador: Elevação da tensão para injeção na rede de distribuição;
5) Condensador de vapor: O vapor liberado na turbina se condensa e é incorporado ao ciclo novamente;
6) Torres de resfriamento: Produzem a refrigeração necessária para condensar o vapor liberado pela turbina;
7) Trocador de Calor: Quando há um excesso de energia térmica coletado pelos concentradores solares, parte do FTC é desviado para um trocador de calor para promover o seu contato com sais, transferindo calor para eles, levando-os à fusão.
8) Tanques de armazenamento térmico: Sal em estado líquido aquecido, porém a uma temperatura mais baixa é bombeado do tanque de “sal aquecido” para o trocador de calor onde o FTC eleva a sua temperatura. Em temperatura mais elevada, o sal é armazenado no tanque de “sal superaquecido”. Durante períodos sem radiação solar, a energia térmica volta para o sistema através do aquecimento do FTC pelo sal superaquecido, a fim de se continuar com a produção de energia elétrica;
9) Sistema de aquecimento de fluido: Sistema utilizado para manter o FTC a uma determinada temperatura nos concentradores;
No segundo conceito básico de projeto de sistemas CSP, chamado de “Torre de Energia”, uma série de espelhos reflete, de maneira concentrada, a radiação solar no topo de uma torre por onde circula o FTC numa temperatura maior do que no caso de espelhos parabólicos concentradores, tornando o método mais eficiente.
Em ambos os conceitos (espelhos parabólicos concentradores e “Torre de Energia”), a potência de energia elétrica gerada depende fundamentalmente da temperatura do fluido aquecido em cada sistema, que é pouco sensível às variações de curta duração da radiação solar (passagem de nuvens por exemplo).
A primeira usina geradora de energia elétrica no mundo, em escala comercial a ter o conceito CSP de “Torre de Energia” foi a Gemasolar na Andaluzia – Espanha, em 2011, da empresa TorreSol Energy. Com 2650 espelhos, o complexo é capaz de gerar eletricidade 15 horas ininterruptas sem a presença do Sol. Para tanto dispõe de reservatórios térmicos aonde são armazenadas grandes quantidades de sal fundido a elevadas temperaturas (em estado líquido) para produzir energia elétrica com auxílio de turbinas a vapor. Outras características do complexo:
- Área do complexo: 1,8 milhões de m²;
- Produz energia elétrica, na média, em 75% das horas de um ano;
- Capacidade instalada: 17MW;
- Potência capaz de atender 25 mil residências;
- Altura da torre: 140 m
- Área reflexiva: ~305 mil m²
- Potência térmica do concentrador no topo da torre: 120 MW térmico
- Tempo de construção até início da operação: ~2,5 anos
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Detalhando o princípio de funcionamento:
1) Helióstatos: Espelhos planos móveis para acompanhar o movimento relativo entre a Terra e o Sol, projetando os seus raios sobre um ponto fixo no topo da torre;
2) Tanque de armazenamento térmico com sal aquecido (menores temperaturas): Tanque com sal em estado líquido (fundido) a 290°C que é bombeado para o topo da torre para ser aquecido pela radiação solar;
3) Torre: No seu topo há um concentrador de radiação solar (ponto focal dos helióstatos) em que o sal líquido atinge 565°C antes de ser armazenado no tanque térmico de sal superaquecido;
4) Tanque de armazenamento térmico com sal superaquecido:Armazenamento do sal superaquecido ao passar pelo topo da torre;
5) Gerador de vapor: Local para onde o sal superaquecido é bombeado para transferir calor à água, transformando-a em vapor ao mesmo tempo em que o sal reduz de temperatura;
6) Turbina à vapor: Vapor produzido em alta pressão movimenta a turbina geradora de eletricidade;
7) Gerador elétrico: A turbina à vapor movimenta a unidade geradora de energia elétrica
8) Transformador: Elevação da tensão para injeção na rede de distribuição
Alguns desafios para a difusão da tecnologia CSP nos próximos anos:
- O sistema depende de grandes investimentos e de grandes áreas planas para ser viável – da ordem de 30 mil m² de área de terreno para cada MW instalado;
- Estudo do MIT indica que na média, de toda a energia solar incidente nos espelhos de um sistema CSP, 16% são convertidos em energia elétrica, devido às perdas nos espelhos, concentradores e no próprio ciclo termodinâmico;
- As áreas produtoras normalmente são áridas e com baixa densidade demográfica. Assim, o sistema depende de grandes investimentos para transportar a energia até os centros consumidores;
- Tem um consumo de água considerável para funcionar, principalmente nas operações de resfriamento da usina (condensação do vapor e resfriamento do FTC) na proporção de 3 litros / kWh produzido, além da quantidade gasta para manter os espelhos limpos.
Observação: A opção de resfriamento com o ar torna a usina menos eficiente e mais onerosa.
Links para mais informações:
Maurício Bernardes é engenheiro civil pela UNICAMP, especializado na área de administração de empresas pela Fundação Getúlio Vargas (FGV-SP), com mestrado na área de tecnologia e gestão da produção pela POLI - USP. Trabalhou como engenheiro de produção de obras por cerca de 10 anos. Atua desde 2005 como gerente de desenvolvimento tecnológico, qualidade e assistência técnica no mercado da construção civil.
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