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O QUE É CONCENTRAÇÃO DE ENERGIA SOLAR, OU CSP (Concentrating Solar Power)?

Concentração de Energia Solar nada mais é do que a Energia heliotérmica ou Energia Solar Térmica Concentrada ou como é internacionalmente conhecida CSP (do Inglês: Concentrating Solar Power). Trata-se de uma tecnologia de geração de energia elétrica renovável que transforma irradiação solar direta em energia térmica e subsequentemente em energia elétrica.

Através da concentração dos raios solares diretos, podem ser atingidas temperaturas superiores a 1.000 °C.

Uma usina CSP consiste em duas partes: o coletor térmico e o ciclo de potência. Espelhos de configurações variadas servem para concentrar os raios solares, No foco dos espelhos circula um fluido que é aquecido com o calor da concentração dos raios do sol. No ciclo de potência acontece a expansão desse fluido de trabalho em uma turbina, ou, alternativamente o vapor pode ser utilizado diretamente em processos industriais. Para garantir um funcionamento mais flexível e confiável da usina heliotérmica, de dia e de noite, é possível incluir um armazenamento térmico ou uma co-combustão de combustíveis reserva no ciclo de potência.

Coletores

O coletor é o responsável pela concentração dos raios solares e o aquecimento do fluido de trabalho, que circula em um receptor. A taxa de concentração determina a relação entre a abertura do coletor e a área de absorção do receptor. Quanto maior a taxa de concentração, mais altas são as temperaturas do fluido de trabalho. Atualmente existem quatro tecnologias para a concentração: concentradores cilindros-parabólicos; refletores linear de Fresnel; torres solares com helióstatos e discos parabólicos.

Coletores cilindro-parabólicos

Os coletores cilindro-parabólicos são considerados a tecnologia heliotérmica mais antiga. São comercializados desde a década dos anos 80. O coletor constitui-se de uma calha de espelhos parabólicos. A superfície do espelho é revestida com uma camada de máxima reflexão. Os raios solares são refletidos através do espelho e acertam o receptor tubular no foco. O receptor é um tubo preto com revestimento anti-reflexivo, alta capacidade de absolvição e baixa emitância de irradiação térmica. O coletor é rastreado em um eixo que é paralelo à linha da calha. Com essa tecnologia de foco linear, o fluido de transferência atinge temperaturas até aproximadamente 400 °C.

Refletores lineares de Fresnel

O modelo Fresnel foi desenvolvido para baratear os custos de produção. Ao contrário dos grandes espelhos da tecnologia parabólica, um refletor linear de Fresnel consiste em varias fileiras de espelhos planos, direcionados em um eixo. Esses espelhos focam os feixes no absorvedor fixado acima dos espelhos. O absorvedor se constitui de um receptor tubular e um espelho parabólico que coleta os raios vindo dos espelhos que não atingem o refletor diretamente. Com essa tecnologia, pode-se atingir temperaturas de 60 °C – 450 °C. Os refletores lineares de Fresnel são considerados uma tecnologia mais nova com grande potencial de reduzir custos.

Torres solares

Torres solares operam com concentração em um único ponto: Uma grande quantidade de espelhos lineares, denominados heliostatos, são rastreados individualmente para concentrar os raios solares em um ponto no alto da torre. Neste foco se encontra o receptor, onde uma substância de transferência de calor, como ar ou um sal especial, é aquecida. Dependo do número de heliostatos no campo solar em volta da torre, uma taxa de concentração de 300 – 1500 é atingida, resultando em temperaturas de 150 °C – 2 000 °C. A torre solar é a mais eficiente na geração de energia elétrica, devido às alturas elevadas da temperatura atingida através da concentração.

Disco parabólico

Como as torres solares, os discos parabólicos operam como tecnologia de foco em ponto. O espelho da geometria de disco parabólica concentra os raios solares em um ponto em frente do coletor. Lá, um receptor é montado e aquece um líquido. Existem dois modos principais: o sistema central e o sistema individual. No sistema central, um conjunto de vários discos parabólicos é conectado por uma tubulação para gerar eletricidade de forma centralizada em um ciclo de potência único. Mais comum é a aplicação individual, onde um motor de Stirling é localizado no foco do coletor. Acoplado a um gerador, eletricidade é gerada sem ajuda de outros componentes.

Sistemas de armazenamento térmico

Usinas heliotérmicas tem a capacidade de armazenar partes do calor em um sistema de armazenamento térmico para equilibrar a produção de eletricidade. Isso constitui em um ganho de flexibilidade com vantagens de operação comparado à usinas fotovoltaicas. Durante a radiação máxima do dia, a planta produz mais calor do que a turbina pode processar. Esse calor não é perdido como seria em uma planta sem armazenamento. Pelo contrário, o calor é utilizado para gerar eletricidade durante a noite. Em uma usina com armazenamento, o calor de excesso não entra na turbina, mas aquece um fluido de armazenamento. Tecnicamente, o armazenamento é realizado através de dois tanques, um de baixa e o outro de alta temperatura. Entre os dois tanques acontece a transferência de calor através de um trocador de calor, aquecendo o fluido de armazenagem.

Co-combustão e Modo Híbrido

Em muitas usinas heliotérmicas, a co-combustão a base de combustíveis é aplicada, ajudando a regular a geração e garantir a capacidade de geração. A co-combustão pode operar de forma contínua, híbrida ou temporária para garantir a operação durante períodos de ponta ou quando houver pouca radiação. Outra vantagem é o aumento da temperatura máxima T_H do fluido de trabalho para melhorar a eficiência de Carnot. A queima de combustíveis fosseis, biogás, ou combustíveis solares pode aumentar a temperatura do fluido de trabalho ou também a quantidade de calor armazenado.

Custos e Previsão

Os custos para a geração de energia heliotérmica ainda são elevados e variam de país para país. Para previsão dos custos, o parâmetro mais influente é a localização da usina: Quanto maior a irradiação e o número de horas de sol, menor serão os custos de geração. Por efeitos de economia de escala, a capacidade da usina também é um fator importante: dobrando a capacidade instalada da usina é possível reduzir os custos iniciais de 15%. Dos custos, em média 30% se devem à compra do campo solar e dos coletores, 10% ao armazenamento e 5% ao bloco de potência. Em contrapartida, os custos de operação e manutenção da planta são relativamente baixos, graças ao sol que é uma fonte de energia abundante e gratuita.

Como a tecnologia heliotérmica ainda é vista como uma tecnologia nova, o futuro promete reduções significantes nos custos de produção de eletricidade. Estima-se que os custos devem cair em 70%, comparando o ano 2012 ao ano 2023. A despeito do grande potencial de reduzir custos na cadeia de valor heliotérmica, a maioria de investimentos em tecnologias solares nos últimos anos foram atribuídos à energia fotovoltaica, devido à sua rápida redução de custos experimentada nos últimos anos.