Energia solar concentrada
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Sumário
1 Apresentação............3
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSEESCOLA DE ENGENHARIADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA E MEIO AMBIENTE
Disciplina: Energia e Meio Ambiente
Energia Solar sem o emprego de células fotovoltaicas
Aluno: José Guilherme Leopoldo de MeloMatrícula: 208.56.069
Niterói - RJ
Julho, 2012
2 Introdução................................................................................................................................. 32.1 Histórico............................................................................................................................................. 3
3 Sistemas de energia solar concentrada (CSP)................................................................43.1 Descrição das Tecnologias........................................................................................................... 6
3.1.1 Canal Parabólico.........................................................................................................................................73.1.2 Receptor Central.........................................................................................................................................93.1.3 Prato Parabólico.......................................................................................................................................12
4 Aspectos Econômicos de fontes renováveis de energia...........................................144.1 Comparativo com fontes tradicionais de energia..............................................................16
5 Fator Limitante: Insolação................................................................................................. 175.1 Potencial Solar Brasileiro..........................................................................................................19
6 CSP no Mundo......................................................................................................................... 226.1 Exemplos de sucesso pelo Mundo...........................................................................................23
6.1.1 Gemasolar................................................................................................................................................... 236.1.2 Usina Solar PS10......................................................................................................................................256.1.3 Usina Solar Solnova................................................................................................................................256.1.4 Solar Energy Generating Systems....................................................................................................25
7 Análise Ambiental................................................................................................................. 26
8 Conclusão..................................................................................................................................................... 27
1 Apresentação
A crescente preocupação mundial com as mudanças climáticas que vem acontecendo nos
últimos anos, tem proporcionado o aumento do interesse em projetos de geração de energia
mais limpos, que possam substituir as fontes convencionais a combustíveis fósseis,
causando um menor impacto sócio-ambiental.
O modelo energético mundial está baseado, principalmente na queima de combustíveis
fósseis como o carvão, o gás natural, o petróleo e etc., e, em menor proporção, mas não
menos significativo, a utilização de material nuclear para geração de energia. Estes tipos de
fontes de energia apresentam impactos significativos ao meio ambiente e a saúde humana,
seja através da liberação de poluentes nocivos como o CO2 na atmosfera, seja através do
risco de acidentes.
O sol é a nossa principal fonte de energia, suprindo nossas necessidades energéticas direta
ou indiretamente. O aproveitamento da energia solar de forma direta torna-se óbvio devido
ao alto índice energético que esta fonte apresenta. Entretanto, é importante salientar que
apesar da energia solar ser a energia mais abundante do planeta, ela também é a energia
mais diluída e intermitente (Camêlo Cavalcanti e Brito 1999).
Dentre as alternativas de aproveitamento solar para produção de energia, destacam-se a
energia fotovoltaica e a termo solar. As plantas termo solares são plantas com impacto
mínimo ao meio ambiente e apresentam o potencial de produção de energia bastante
elevada (100-300MW), mas que também apresentam uma série de problemas técnico-
econômicos que os tornam menos competitivos que as plantas convencionais. É neste
contexto que o trabalho apresenta a tecnologia termo solar como uma alternativa a
produção de energia.
2 Introdução
2.1 Histórico
O uso da energia solar para aquecimento pode ser rastreado de volta a Antiguidade.
Arquimedes comprovadamente utilizou espelhos para direcionar os raios solares e atacar
uma frota hostil, em 212 a.c, incendiando suas velas a uma distância de algumas centenas
de pés.
Antonie Lavoiser (1743-1794) atingiu temperaturas próximas a 1700oC usando o sol,
temperaturas essas mais altas que as obtidas por qualquer um naquela época. Uma das
fornalhas solares mais potentes em uso atualmente se encontra em Sandia, Novo México,
onde temperaturas de 4000o são obtidas. Aquecedores solares a vapor foram desenvolvidos
no fim do século XIX para produzir vapor e movimentar motores. O francês August Mouchot
fez funcionar, em 1878, uma máquina de impressão usando vapor produzido por um
artefato que concentrava os raios solares num fluído para gerar vapor.
Em 1912 o engenheiro norte-americano Frank Shuman colocou em operação a primeira
usina solar de larga escala no Cairo, Egito. Sua função era fornecer água de irrigação do
Nilo. Ele utilizou um coletor parabólico do tipo calha para focar os raios solares em um cano
de metal preto e produzir vapor, a produção de pico do sistema chegava a
aproximadamente 50 kW.
3 Sistemas de energia solar concentrada (CSP)
Os sistemas de energia solar térmica concentrada (CSP - Concentrated Solar Power)
produzem energia eléctrica convertendo a energia solar em calor de alta temperatura
usando várias configurações de superfícies espelhadas. Estes sistemas focam a radiação
solar direta através de dispositivos ópticos para a área onde o receptor está localizado,
transformando a radiação em calor de alta temperatura, suscetível de produzir vapor. As
tecnologias de energia solar concentrada envolvem as seguintes fases (figura 1):
Recolha da radiação solar usando um sistema coletor;
Concentração da radiação num receptor sob forma de energia térmica;
Transporte da energia térmica para o sistema de conversão de energia;
Conversão da energia térmica em energia elétrica.
A radiação solar atinge a superfície refletora do coletor e é focada para um receptor, sendo
útil apenas a radiação direta. O receptor pode ser:
Um tubo, onde a radiação é absorvida pela superfície, aquecendo um fluido no seu interior. O fluido aquecido pode então ser usado para produzir vapor para accionar uma turbina;
Um motor Stirling, que é ligado a um receptor com uma cavidade normalmente cheia de hélio. A energia térmica é convertida em energia mecânica e posteriormente em energia eléctrica;
Uma torre central, onde a radiação recebida aquece o fluido (por exemplo água) contido num receptor volumétrico. A instalação de um reactor solar permite o desenvolvimento do processo a altas temperaturas (superiores a 800 ºC).
Figure 1 - Sistema de energia solar concentrada
As centrais consistem em duas partes: uma que coleta a energia solar e a converte em
calor e outra que converte a energia térmica em eletricidade. Alguns sistemas usam
armazenamento térmico para poder produzir eletricidade durante períodos nebulosos e
durante a noite.
A tecnologia atual permite implementar produção centralizada com módulos entre 20 e 200
MW. Contudo, os desenvolvimentos atuais podem resultar em oportunidades de mercado
para pequenas unidades, entre 10 kW e 1 MW, o que pode permitir a sua utilização para
aplicações de calor industrial e para processos químicos como a produção de metal,
hidrogênio e cimento. Produzindo eletricidade e calor, estes sistemas podem garantir
grande parte das necessidades energéticas de algumas aplicações industriais.
Estes sistemas podem ser adaptados a soluções híbridas (solar/biomassa/combustíveis
fósseis) permitindo assim um funcionamento de 24 horas por dia. Outras vantagens que
esta tecnologia apresenta são a elevada durabilidade e os reduzidos custos de operação,
produzindo aproximadamente 1 GW/h por hectare por ano.
Prevê-se que apenas na região mediterrânica será possível instalar 23 GW, prevendo um
estudo do Banco Mundial que a longo prazo o incremento anual da potência instalada seja
de 2.000 MW. No ano de 2040, estima-se que esta tecnologia seja responsável pela
satisfação de 5% da procura mundial de energia eléctrica.
Uma vantagem das tecnologias de CSP é a sua capacidade de integração em centrais
térmicas convencionais: Estas tecnologias podem ser integradas como "um combustível
solar" em paralelo a um combustor fóssil em ciclos térmicos convencionais e fornecer com a
capacidade de reserva de armazenamento térmico ou do combustível fóssil durante os
períodos sem insolação, sem a necessidade de centrais térmicas de reserva separadas.
Com energia suplementar de gás natural ou de qualquer outro combustível fóssil, as
centrais térmicas solares podem fornecer a energia eléctrica de uma forma segura (figura
2).
Figure 2-Combustão fóssil de reserva e o armazenamento
3.1 Descrição das Tecnologias
Os sistemas CSP necessitam de radiação solar direta para ser concentrada. Existem três
sistemas distintos:
Canal/calha parabólico; Prato parabólico; Receptor central;
3.1.1 Canal Parabólico
No sistema de canal parabólico o sistema de captação solar é o conjunto formado pelo
elemento coletor e pelo receptor (figura 3). Em aplicações de geração de energia standard,
o coletor tem um comprimento axial total de 100-200 m e consiste em diversos coletores
solares ligados a um sistema de seguimento do sol de eixo único. O receptor é um tubo de
vidro em vácuo, de revestimento negro, contendo um fluido de transferência de calor. O
revestimento tem uma alta absorção do coeficiente de radiação e uma baixa refletividade.
Figure 3-Canal Parabólico
Fonte: Comissão Europeia
A superfície refletora, concentra a radiação solar no tubo receptor localizado ao longo do
canal de focagem, aquecendo o fluido de transferência de calor. Esse fluido é aquecido à
medida que circula pelo receptor e retorna depois de passar por uma série de permutadores
de calor, no bloco de potência, onde o fluido é usado para gerar vapor de alta pressão
super-aquecido. O vapor vai então alimentar uma turbina, para produção de energia
eléctrica. O vapor de exaustão da turbina é condensado num condensador standard e
devolvido aos permutadores de calor via condensador de forma a ser novamente
transformado em vapor. Depois de o fluido passar pelos permutadores de calor e arrefecido
é feita a recirculação pelo sistema de captação solar. Na figura 4, pode observar-se o
esquema de uma central de canal parabólico.
Figure 4-Esquema de uma central do tipo canal parabólico
Fonte: Electric Power Research Institute
O campo colector é modular por natureza e compreende vários canais em colunas paralelas
alinhados segundo o eixo Norte-Sul. Esta configuração permite seguir o Sol de Este para
Oeste durante o dia para garantir que o Sol é continuamente focado. Durante os meses de
Verão, estas centrais podem funcionar tipicamente entre 10 e 12 horas por dia. Contudo,
geralmente as centrais são sistemas híbridos solar/fóssil, podendo usar a capacidade de
produção através de combustível fóssil durante os períodos de reduzida radiação solar.
Esta tecnologia pode ser usada para fornecer calor de processos ou para produzir reações
químicas, mas é normalmente utilizada na produção de energia eléctrica.
O sistema integrado de ciclo combinado solar (figura 5) foi inicialmente proposto como uma
forma da integração de centrais parabólicas de canal com modernas centrais de ciclo
combinado. Esta aproximação reduz o custo efetivo de uma central solar-térmica
convencional, diminuindo os custos de projeto e de operação e manutenção, devido ao
aumento da dimensão da central e potencialmente devido ao aumento da eficiência da
conversão solar-eléctrica.
O conceito básico passa pela duplicação da turbina a vapor, operando a saída a ciclo
combinado nos períodos de pouco sol, aumentando cerca de um terço quando a energia
solar está disponível, representando o solar apenas 10% da produção. Adicionalmente
devem ser considerados os aspectos da integração, para que esta não tenha um impacto
significativo na operação do ciclo combinado. Vários estudos recentes avaliaram a melhor
forma de integração estando este esquema em consideração para implementação na Índia,
no Egito, em Marrocos e no México.
Figure 5-Sistema integrado de ciclo combinado solar
Fonte: Electric Power Research Institute
3.1.2 Receptor Central
No sistema de receptor central um arranjo de heliostatos (superfícies espelhadas de
seguimento do sol) atua como colector solar, concentrando a radiação solar num receptor
central localizado no topo da torre (figura 6). Estruturas mais complexas são usadas para
aquecer e transferir o fluido, que é utilizado para gerar eletricidade. Um reator solar deste
tipo pode ser usado para produzir hidrogénio ou outros produtos químicos.
Figure 6-Receptor Central
Na figura 7, pode observar-se o esquema de uma central de receptor central. A torre central
é um permutador de calor (receptor), onde a energia é transferida para um fluido de
transferência de calor. Este é então opcionalmente armazenado e finalmente passado para
um sistema de conversão da energia térmica em elétrica, através do ciclo de vapor.
O fluido de transferência de calor pode ser água/vapor, nitrato de sal fundido, metais
líquidos ou ar. No caso de se utilizar sal fundido, o sal líquido a 290ºC é bombeado de um
tanque de armazenamento a frio até ao receptor, onde é aquecido até os 565ºC e depois
para um tanque de armazenamento a quente. Quando é necessária a produção de energia
elétrica, o sal quente é bombeado para um sistema de geração de vapor, que produz vapor
super-aquecido para um sistema convencional de turbina/gerador. Do gerador de vapor, o
sal é devolvido para o tanque de frio, onde é armazenado e eventualmente reaquecido no
receptor.
Figure 7-Esquema de uma central de receptor central
Fonte: Electric Power Research Institute
Esta tecnologia pode beneficiar com a sua integração numa central de ciclo combinado
(figura 8). Neste caso a central solar vai ser adicionada à produção fóssil. A energia é
produzida na turbina a gás (combustível fóssil) e na turbina a vapor (fóssil e solar). O vapor
do gerador solar de vapor é misturado com o vapor resultante do combustível fóssil do
recuperador de calor antes de entrar na turbina.
Figure 8-Sistema híbrido constituído por um receptor central e por uma unidade de ciclo combinado
A eletricidade adicional é produzida aumentando o tamanho da turbina de vapor, em média
25 a 50% em relação à situação de produção apenas com combustível fóssil. Em geral a
produção solar contribui para 25% da potência de pico e com 10 a 25% da produção de
energia anual. A contribuição da produção solar aumenta, à medida que se aumenta a
armazenagem de energia térmica.
3.1.3 Prato Parabólico
No sistema de prato parabólico, existe um prato com superfície espelhada que reflete e
concentra a radiação para o receptor, de forma a atingir as temperaturas requeridas para
eficazmente converter o calor em trabalho. O receptor pode ser um motor Stirling ou um
depósito localizado no ponto de focagem da parábola (figura 9).
Figure 9-Prato Parabólico
O prato, que mais especificamente é referido como concentrador, é o componente solar
primário do sistema. Coleta a energia que vem diretamente do sol e concentra-a numa
pequena área. O feixe de radiação resultante tem uma elevada percentagem da potência
solar que chega ao prato, mas está concentrada para poder ser usada mais eficazmente.
Os espelhos de vidro refletem cerca de 92% da radiação incidente, são relativamente
baratos, podem ser limpos e têm uma vida útil elevada em ambiente externo. A radiação
solar concentrada é absorvida pelo receptor e transferida para um motor térmico.
Os pratos seguem o sol segundo dois eixos (azimute e altura), sendo assim um sistema
coletor mais eficiente, pois estão sempre orientados na direção do Sol. As médias de
concentração deste sistema normalmente variam entre 600 e 2.000 e podem atingir
temperaturas superiores a 1.500 ºC. Na figura 10, pode observar-se o esquema de uma
central de prato parabólico.
Figure 10-Esquema de uma central do tipo prato parabólico de 25 kW
A unidade de conversão de energia inclui o receptor térmico e o motor/gerador. O receptor
térmico é um interface entre o prato e o motor/gerador, que absorve o feixe concentrado de
energia solar, convertendo-o em calor e transferindo o calor para o gerador/motor. O
receptor é normalmente constituído por tubos com um fluido de refrigeração, usualmente
hidrogénio ou hélio, que serve de meio de transferência de calor.
O sistema motor/gerador é o subsistema que usa o calor do receptor para a produção de
energia eléctrica. O tipo mais comum de motores usado é o motor de Stirling, que usa o
calor provido por uma fonte exterior para mover os pistões e fazer energia mecânica. O
trabalho mecânico na forma de rotação do motor é usado para accionar o gerador e
produzir energia eléctrica.
Adicionalmente as microturbinas e conversores fotovoltaicos têm também possibilidade de
utilização para receber o feixe solar concentrado.
4 Aspectos Econômicos de fontes renováveis de energia
Com relação ao aspecto econômico, atualmente o LCOE (levelized cost of energy) da
grande maioria de tecnologias renováveis é mais alto do que o de tecnologias
convencionais, embora em alguns casos a renovável já é competitiva. O LCOE consiste na
relação entre os custos totais ao longo da vida econômica do projeto e a geração esperada,
expresso em termos de valor presente equivalente (IEA, 2010a). Os custos totais são os
custos de investimento, de operação e manutenção (O&M), de combustível e de
descomissionamento. Ele também é chamado de custo unitário nivelado ou custo de
geração nivelado.
A margem atual de LCOEs, para tecnologias renováveis já disponíveis comercialmente, é
grande e depende de fatores, tais como: características tecnológicas, características
regionais (para o custo e o desempenho) e taxas de desconto desejadas. Conforme
apresentado no Gráfico 6, algumas tecnologias renováveis são competitivas frente ao preço
praticado no mercado de energia. Outras podem ter preços competitivos em certas
circunstâncias como, por exemplo, quando instalada em regiões com condições favoráveis
de recurso renovável, ou quando da ausência de infra-estrutura de fornecimento para
geração convencional. Contudo, em grande parte do mundo, políticas governamentais ainda
não necessárias para assegurar o desenvolvimento de fontes renováveis (SRREN, 2011).
Gráfico 1 - LCOEs para tecnologias renováveis disponíveis comercialmente, com taxas de desconto de 3%, 7% e 10%
Fonte: PERSPECTIVAS PARA A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL UTILIZANDO A TECNOLOGIA SOLAR TÉRMICA CONCENTRADA, Cristiane Lodi, PPE 2011
Na área de energia renovável, o custo de fornecimento é determinado, principalmente,
pelos custos de investimento. No entanto, os custos de O&M e, quando aplicável, os custos
de combustível (backup, por exemplo) também podem impactar. Em uma escala global, os
valores de LCOE, para as diversas renováveis apresentadas no gráfico, podem ter
incertezas. De acordo com IEA (2010a), nos últimos anos os custos de investimento, por
exemplo, são fortemente influenciados por mudanças em materiais (por exemplo, aço) e
custos de engenharia, assim como através de curva de aprendizado e efeito de mercado de
massa.
Outro aspecto que poderia ajudar na competitividade das energias renováveis é a
monetização das externalidades no custo da energia. De acordo com SRREN (2011), o
LCOE de uma tecnologia não deveria ser determinado apenas por sua competitividade
econômica. A atratividade depende também de aspectos mais amplos, como aspectos
ambientais e sociais, assim como de sua contribuição para serviços energéticos específicos
(por exemplo, demanda de pico) e outros custos do sistema energético (por exemplo, custo
da integração).
As políticas governamentais exercem papel crucial no desdobramento de tecnologias de
energia renovável. De acordo com SRREN (2011), de uma forma geral, nos países em
desenvolvimento o direcionador principal é o acesso à energia e o desenvolvimento
econômico e social, enquanto que, em países desenvolvidos, é a segurança energética e
preocupações ambientais.
4.1 Comparativo com fontes tradicionais de energia
Por não ter um excelente competitividade perante as fontes de energia convencionais, as
plantas termo solares necessitam de incentivos fiscais, de modo a diminuir os custos de
projeto e viabilizar sua construção. Porém, levará alguns anos até que finalmente a
tecnologia de Receptor Central apresente os preços de sua energia gerada de forma que
possa competir com as fontes de carvão ou as termoelétricas convencionais.
A eletricidade gerada por uma planta solar térmica tem pouca chance de competir com a
planta convencional a carvão equipada com purificadores em seu escapamento de gases, e
certamente também não conseguem competir com as centrais mais antigas a carvão já
pagas. Entretanto, se for levado em consideração o nível de emissão de poluentes na
atmosfera, e todos os custos envolvidos para capturar esses gases, a planta solar térmica
apresenta uma série de vantagens técnico-econômicas sobre as fontes a combustíveis
fósseis.
Table 1 - Análise comparativa entre UHE de Belo Monte e outras fontes energéticas renováveis e não renováveis
Fonte: Análise comparativa entre Belo Monte e empreendimentos alternativos: impactos ambientais e competitividade econômica, GESEL UFRJ 2012
5 Fator Limitante: Insolação
A avaliação dos recursos solares de uma região é o primeiro e o principal passo para a
construção de um sistema que aproveite o sol como fonte de energia. A disponibilidade do
sol em uma localidade é fortemente influenciada pelo clima (taxas de precipitação anual,
índices de nebulosidade e etc.), pela época do ano (verão, inverno, primavera e outono) e
pela latitude da região (proximidade a linha imaginária do equador). Esta variação dos
recursos do sol pelo mundo acontece devido ao relativo movimento da terra em relação ao
sol, que possibilita diferentes orientações dos locais e a interceptação de diferentes
quantidades de energia.
Para a construção de um sistema termo solar de energia elétrica é necessário que o local
tenha um nível mínimo de insolação direta anual, que deve ser em torno de 2.000 kWh/m2.
Mas para que as plantas possam competir, gerando energia a preços próximos as outras
fontes de energia convencionais, é necessário que ela tenha um nível de radiação direta em
torno de 2.500 kWh/m2 (Philibert 2005).
No âmbito mundial, os países que possuem os melhores recursos solares, e
conseqüentemente, têm grandes possibilidades de implantação de plantas termo solares
encontram-se em regiões áridas e semi-áridas das zonas tropicais, próximas a linha
imaginária do equador. Esses países, em sua maioria, contêm grande parte da população
mundial e em sua maioria são muito pobres. Essas fontes de energia limpa poderiam trazer
uma série de benefícios às populações nos arredores como o bombeamento de água em
regiões muito secas e o dinheiro da venda da energia verde para países dispostos a pagar
altos preços.
De acordo com o Departamento Norte Americano (DOE), a utilização de apenas 3% destas
áreas altamente favoráveis a geração de energia através de concentradores solares seria
capaz de gerar em torno de 1.000 TWh/ano, que correspondem ao total de energia elétrica
consumida nos estados do oeste americano em 1999. Ainda segundo o DOE, a utilização
de 9% do estado de Nevada para geração de energia, através de coletores cilindro
parabólicos, seria capaz de fornecer energia a todo os Estados Unidos (Philibert 2005). Já
os países da Europa são considerados como segunda opção de construção dos sistemas
termo solares, mesmo os mais ensolarados.
Figure 11 - Radiação solar diária média no mundo em W/m2
Fonte: Center for a Global Development 2008
Os locais mais promissores para geração deste tipo de energia são o sudoeste Norte
Americano, algumas áreas da América do Sul, Oriente Médio, alguns países da Ásia
Central, indo da Turquia a partes da Índia e China, norte da África, África do Sul e partes da
Austrália.
5.1 Potencial Solar Brasileiro
O Brasil tem um grande potencial para o aproveitamento da energia solar. Boa parte de seu
território encontra-se na linha do equador, apresentando pouca variação na duração do dia
solar, e em algumas regiões, baixas índices de nebulosidade e precipitação. Em
contrapartida, a maioria da sua população e atividades econômicas encontra-se em regiões
afastadas da linha do equador, nas regiões Sul e Sudeste.
As principais formas de aproveitamento em território brasileiro, segundo (ANEEL 2005), são
para aquecimento da água (piscinas, banho e etc.), através de coletores solares planos de
baixa temperatura, comumente usados em residências, hotéis, clubes e etc. As regiões que
usam esse tipo de tecnologia são as regiões Sul e Sudeste. Ainda, segundo (ANEEL 2005),
a geração fotovoltaica de energia elétrica, através de painéis coletores, é outra tecnologia
utilizada no país, principalmente em regiões isoladas da rede elétrica, como muitas cidades
e vilarejos das regiões Norte e Nordeste. Não existe nenhuma planta termo solar no Brasil,
apesar do mesmo possuir um grande potencial energético para este tipo de tecnologia.
As informações sobre a radiação solar no Brasil são coletadas de diferentes maneiras e,
como em outros países, são reunidos em mapas e bancos de dados. Os mais recentes
esforços de medição da radiação solar foram realizados pela UFPE (Universidade Federal
de Pernambuco) e a CHESF (Companhia Hidroelétrica do São Francisco) em parceria com
o CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito)
resultando, em 2000, no Atlas Solarimétrico do Brasil. Outro trabalho, realizado pelo INMET
(Instituto Nacional de Meteorologia) e Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal
de Santa Catarina (LABSOLAR/UFSC), resultou no Atlas de Irradiação Solar no Brasil
(ANEEL 2005).
De acordo com (ANEEL 2005), o primeiro faz uma estimativa da radiação solar incidente
através de dados obtidos em estações solarimétricas espalhadas pelo país, enquanto o
segundo obtém os dados a partir de imagens extraídas de fotos de satélites
geoestacionários. Ambos os mapas apresentam falhas e limites, e não devem ser vistos
como concorrentes, mas sim como informações complementares.
Figure 2 - Atlas de Irradiação Solar no Brasil - Média Anual da Radiação Solar Global Diária em Wh/m2
Fonte: ANEEL 2005
No Brasil podemos observar que o potencial de utilização solar direta encontra-se na região
Centro-Oeste da Bahia, correspondente ao Vale do São Francisco. Seu potencial de
irradiação direta médio encontra-se em torno de 7,0 a 7,5 kWh/m2/dia. Se construirmos
uma usina ocupando toda a área de maior incidência solar direta, obteríamos algo em torno
de 200 mil TWh anuais, suprindo toda a energia consumida no pais hoje com uma grande
folga.
6 CSP no Mundo
Atualmente, há a expectativa de 15 GW de projetos em desenvolvimento ou em construção
em diversos países, tais como: China, Índia, Marrocos, Austrália, Espanha e Estados
Unidos.
Gráfico 2 - Evolução dos projetos
Fonte: Análise comparativa entre Belo Monte e empreendimentos alternativos: impactos ambientais e competitividade econômica, GESEL UFRJ 2012
A Espanha tem sido o epicentro de desenvolvimento da tecnologia CSP, com 22 projetos
em construção, que totalizam 1037 MW de capacidade, e com a perspectiva dos mesmos
entrarem em operação até 2011.
A motivação para tantos projetos foi devido ao Decreto Real espanhol 661/2007, que
estabeleceu a meta de 500 MW em projetos CSP até 2010, oferecendo €0,27/kWh de FiT,
acrescido ao valor convencional de energia, bem como a garantia de contratos de longo
prazo (25 anos).
Os projetos em operação no mundo estão listados na Tabela 3. O total de capacidade
instalada é de 1,3 GW.
Table 2 - Lista de projetos CSP em operação no Mundo
Fonte: Análise comparativa entre Belo Monte e empreendimentos alternativos: impactos ambientais e competitividade econômica, GESEL UFRJ 2012
6.1 Exemplos de sucesso pelo Mundo
6.1.1 Gemasolar
A usina de energia solar concentrada, chamada Gemasolar, localizada na província
espanhola da Andaluzia, foi colocada em operação com uma capacidade de 19,9 MW tendo
um sistema de armazenamento para 15 horas baseado no tecnologia de sal fundido.
A usina vai produzir 110 mil MWh por ano com capacidade de abastecer plenamente 25.000
residencias. Com pode armazenar energia, esta MW 19,9 gera o equivalente a uma usina
de 50 MW solar sem armazenamento.
O sistema de armazenamento térmico baseado em sal derretido permite que a central solar
possa gerar eletricidade sob demanda 24 horas, 7 dias por semana: Isto é, durante a noite,
durante dias nublados ou chuvosos.
O armazenamento de energia solar usando sal fundido utiliza uma combinação de 60% de
nitrato de potássio e 40% de nitrato de sódio que retém 99% do calor por até 24 horas. E o
mais importante: esta bateria de sal perde apenas 1% do calor de energia por dia.
Nitrato de potássio passa a ser ambientalmente mais seguro e mais barato que a maioria
das alternativas das baterias atuais baseadas em reações química ou cerca de dez vezes
mais em conta do que uma bateria Li-on que alimenta um computador pessoal ou veículo
eléctrico.
É esperado que a usina produza eletricidade durante 6.400 horas por ano – um fator de
capacidade de 75%. Para se ter uma ideia comparativa com hidrelétricas, algumas hidro
nos Estados Unidos têm um fator de capacidade tão baixo como 25%, enquanto que a
maior Hidro do mundo, a usina Três Gargantas, na China tem um fator de capacidade de
cerca de 50% -55%.
Comparando com as centrais de energia nuclear, o fator de capacidade dos reatores
nucleares no Japão, França e os EUA giram na faixa de de 65% para 72% e a média de
carga em todo o mundo deve estar ao redor de 69,4 por cento.
Para operar eficientemente, cada helióstato tem uma superfície do espelho refletivo de
cerca de 110 metros quadrados metros que segue o sol através de dois motores built-in
com controladores lógicos programáveis (PLC), que recalculam e reajustam a posição do
helióstato cerca de 15 vezes por a cada minuto.
6.1.2 Usina Solar PS10
A Usina de Energia Solar PS10, foi a primeira torre de concentração de energia solar
comercial da Europa, operando próximo à Sevilha, na Andaluzia, Espanha. A torre de
energia solar produz 11 megawatts (MW) de eletricidade com 624 grandes espelhos
móveis. Demorou quatro anos para se construída e, até agora, custou € 35 milhões.
6.1.3 Usina Solar Solnova
O Solnova Usina de Energia Solar é um grande CSP composta por cinco unidades
separadas de 50 MW cada. A instalação está localizada na Plataforma Solar , em Sanlúcar
la Mayor , na Espanha , a mesma área onde a torre PS20 (outra usina de energia solar
também está localizado).
Solnova-I, Solnova-III, e Solnova-IV foram entraram em operação em meados de 2010 e
estão com potencia instalada de 50 MW. Todas as cinco fábricas são construídas, de
propriedade e operado pela Abengoa Solar, um espanhol empresa de energia solar.
Todas as cinco centrais, serão utilizandos cilindros parabólicos. As três usinas
comissionados também estão equipados para suportar o gás natural como fonte de
combustível para geração de energia secundária.
6.1.4 Solar Energy Generating Systems
As plantas têm uma capacidade instalada de 354 MW tornando-a uma das maiores usinas
solares instaladas, de qualquer tipo, no mundo. A produção bruta média solar para todas as
nove plantas em Segs é cerca de 75 MWe - com fator de capacidade de 21%. Em adição,
as turbinas podem ser utilizadas durante a noite pela queima de gás natural.
NextEra afirma que o poder plantas solares atende a 232.500 casas (durante o dia, a
potência de pico) e deixa de emitir certa de 3.800 toneladas de poluição por ano que teriam
sido produzidas se a eletricidade tivesse sido fornecida por combustíveis fósseis, como
petróleo.
As instalações contam com um total de 936.384 espelhos e cobrem mais de 1.600 acres
(6,5 km 2). Alinhados, os espelhos parabólicos que se estendem por 229 milhas (370 km).
7 Análise Ambiental
Atualmente, devido as crescentes preocupações com as emissões dos gases de efeito
estufa, grandes compromissos internacionais têm sido firmados para estabilizar e reduzir os
efeitos destas emissões, dada a provável relação entre estas emissões com a mudanças
climáticas que vêm ocorrendo no planeta nos últimos anos.
Em geral, estas emissões apresentam uma relação íntima com a produção de energia, e
por esta razão, os impactos sobre o meio ambiente ocasionados pela operação destas
fontes de energia deveriam ser incluídas no processo de planejamento do parque
energético dos países.
As plantas termo solares de energia apresentam uma série de benefícios que podem torná-
las opções de investimento atraentes, do ponto de vista ambiental, em relação as fontes
convencionais, que, de maneira genérica, apresentam altas taxas de produção e emissão
de poluentes, especialmente o CO2. As centrais puramente solares possuem baixos índices
de produção e emissão de gases prejudiciais ao ambiente e exigem menos gastos com
segurança ambiental, como apresentadas em fontes nucleares, por exemplo.
Entretanto, as emissões indiretas de CO2 ocorrem em outros estágios do ciclo de vida da
planta termo solar, mas que são insignificantes em comparação as plantas convencionais.
Em geral, as emissões indiretas, ocorrem durante o processo de fabricação dos
equipamentos e/ou pela utilização dos veículos para operação e manutenção da planta.
Como isto, as plantas solares podem contribuir substancialmente na redução dos níveis dos
gases de efeito estufa e a mudança climática.
Em uma central termo solar são eliminados por completo todos os impactos derivados da
extração, transporte e queima do combustível fóssil. E em central solares híbridas bem
projetadas, estes impactos são minimizados de forma proporcional a fração da planta solar,
que otimiza o uso do combustível. Porém, o benefício chave é o potencial de redução da
poluição liberada, substituindo as plantas convencionais como fontes geradoras de energia.
A instalação de uma planta termo solar, ao invés de uma planta convencional, pode evitar
que toneladas de CO2 sejam despejados na atmosfera. Segundo (Casals 2001), cada kWh
de origem solar gerada evita-se que 0,85kg de CO2, 1,5g de SO2 e 1,9g de NOx sejam
despejados no ar, considerando o valor médio das emissões das centrais termo elétricas.
As emissões originadas de centrais que utilizam o carvão como combustível são bastante
elevadas quando comparadas, por exemplo, a centrais que utilizam gás natural devido o
rendimento deste último ser maior que o rendimento da fonte a carvão (Casals 2001).
Abaixo seguem as emissões típicas de CO2 durante a operação das usinas de energia
utilizando diferentes combustíveis.
Table 3 - Emissao de CO2 por fonte de energia
Entretanto, as centrais termos solares necessitam de grandes áreas de instalação para que
seus benefícios de redução da emissão de CO2 possa ser utilizado de forma eficiente.
Estima-se que para gerar 100MW de energia, uma planta necessite de 800 acres, sendo
boa parte ocupada pelo campo solar, enquanto que uma planta de ciclo combinado
convencional, com capacidade de geração de 500MW, necessitaria ocupar apenas 20 acres
(Stoddard, Abiecunas e O'Connell 2006).
8 Conclusão
A tecnologia CSP é uma tecnologia muito recente, porém muito promissora. Seu alto fator
de capacidade e sua, relavivamente, fácil operação fazem que ela seja muito competitiva no
futuro. Os principais entraves até hoje são a falta de politicas e incentivos fiscais para esse
tipo de energia, tendo em vista que seu maior potencial estão em países menos
desenvolvios.
Ambientalmente falando, é uma tecnologia que não gera impactos, diretamente, na sua
operação, mas como toda obra de infra-estrutura deve ser avaliada em todo seu ciclo de
vida. Seu contra é a necessidade de ocupar uma grande área para seu desenvolvimento,
áreas enormes que envolvem varios habitats e ecossistemas diferentes. Por isso é
necessário ter um bom projeto ambiental para compensar este contra.