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Energia heliotérmica ou energia de solar térmica concentrada ou internacionalmente conhecido como CSP (Concentrated Solar Power) é uma tecnologia das energias renováveis que transforma a energia solar em energia térmica e subseqüentemente em energia elétrica. Através da concentração dos raios solares, temperaturas até 1500 °C podem ser realizados.

Uma usina de solar térmica concentrada consiste de duas partes: o coletor térmico e o ciclo de potencia. Espelhos de configurações diferentes servem para concentrar os raios solares. No foco dos espelhos circula um fluido de trabalho que é aquecido. No ciclo de potencia, acontece o expansão desse fluido de trabalho em uma turbina, que. Alternativamente, o vapor pode ser utilizado diretamente em processos industrias. Além disso, para garantir um funcionamento mais flexível e pronto, é possível de incluir um armazenamento térmica ou uma co-combustão de combustíveis reservas no ciclo de potencia.

Em 2012, uma capacidade total de 1.7 GW no todo mundo foi instalado gerando 3.19 TWh de eletricidade. Na mesma altura, 2.7 GW são sobre construção e 8.2 GW no fase de planejamento.

Coletores

A função geral de coletor é a concentração dos raios solares e o aquecimento do fluido de trabalho, que circula em um receptor. A taxa de concentração determina o relação entre a abertura do coletor e o área de absorção do receptor. Quanto maior a taxa de concentração, mais altas são as temperaturas do fluido de trabalho. O aquecimento solar de água por aplicações domésticos renúncia de concentração e constitua de um receptor só. Com essa tecnologia temperaturas maximais de aproximadamente 100° C podem ser realizados dependendo do irradiação atual. Com as tecnologias heliotérmicas, somente a radiação solar direta é aproveitado, enquanto eles não são capaz de transformar a radiação solar difusa em calor. Por isso, não é possível de gerar energia elétrica durante um céu nublado. Devido ao rastreamento do sol, o coletor solar concentrada tem que ser rastreado em um ou dois eixos. O rastreamento é mais complexo com dois eixos, más assim uma taxa de concentração maior e portanto temperaturas mais altas são obtidas. Atualmente existem quatro tecnologias comerciais para a concentração, nomeadamente concentradores cilindros-parabólicos, refletores linear de Fresnel, torres solares com heliostatos, e discos parabólicos.

Calha de coletores parabólicos-cilindros

Coletores parabólicos-cilindros

Os coletores parabólicos-cilindros são considerados a tecnologia heliotérmica mais maduras com a penetração do mercado desde a década 80. O coletor constitua de uma calha de espelhos parabólicos. O superfície do espelho é revestido com uma camada de máxima reflexão e uma boa qualidade de superfície. Os raios solares são refletidos no espelho e acertam o receptor tubular na linha do foco. O receptor é um tubo preto com revestimento anti-reflexivo, alta absorbância e baixa emitância para irradiação térmica. O coletor é rastreado em um eixo que é paralelo á linha da calha. Normalmente várias módulos são arranjados em uma longa linha, com varias linhas de calh paralelas. Com essa tecnologia de foco linear, temperaturas do fluido de transferência até aproximadamente 400°C são obtidos.

Refletores lineares de Fresnel

Refletores lineares de Fresnel

O modelo Fresnel foi desenvolvido para cortar custas de produção. Através dos grande espelhos da tecnologia parabólico, um refletor linear de Fresnel consiste de varias tiras de espelhos planos, rastreado em um eixo. Esses espelhos focalizam feixes de raios para o absorvedor fixado em cima dos espelhos. O absorvedor consiste de um receptor tubular e um espelho parabólico que coleta os raios refletidos que não atinge o refletor diretamente. Com essa tecnologia taxas de concentração de 10 - 40 são possível, correspondendo a temperaturas de 60° C - 250° C. Os refletores lineares de Fresnel são considerados uma tecnologia mais nova com grande potencial de reduzir custas. Porém, das usinas heliotérmicas em construção, só 6% utilizam a tecnologia linear de Fresnel .

Torres solares

Torre solar na usina heliotérmica PS10

Torres solares operam com concentração pontual: Uma multidão de espelhos lineares, denominado heliostatos, são rastreado individualmente para concentrar os raios solares a um ponto da torre. No foco dos espelhos é montado um receptor, onde um médio de transferência como ar ou um sal especial é aquecido. Dependo dos números dos heliostatos um taxa de concentração de 300 – 1500 é atingido, resultando em temperaturas de 150° C - 2000 °C. O calor pode ser utilizado para gerar energia elétrica com uma boa eficiência por causa das altas temperaturas. Outra possibilidade atualmente sobre pesquisa é a sintetização dos combustíveis solares .

Disco parabólico

Disco parabólica com motor Sterling

Como as torres solares, os discos parabólicos também operam como tecnologia de foco pontual. O espelho da geometria de disco parabólica concentra os raios solares a um ponto em frente do coletor. Lá, um receptor é montado que aquece um liquido. Existem dois modos principais: o sistema central e o sistema individual: Num sistema central, um conjunto de varias discos parabólicos é conectado de tubulação para gerar eletricidade centralmente num ciclo de potência único. Mais comum é a solução individual, onde um motor de Sterling é localizado no foco do coletor. Acoplado a um gerador, eletricidade é gerado independente de outros componentes.

Ciclo de potencia

O núcleo de uma usina heliotérmica é o coletor, que usa a maior área e é responsável pela maioria das investimentos. Porém, para a geração heliotérmica outros componentes são indispensável: um bloco de potencia para gerar eletricidade, um armazenamento térmica para evitar interrupções e eliminar oscilações e um boiler de modo de co-combustão de combustíveis convencionais.

Ciclo termodinâmico

O ciclo termodinâmico que acontece principalmente durante a geração heliotérmica é o ciclo Rankine. O conteúdo energético do fluido de trabalho, calor e pressão, é transformado em energia rotativa por meia de expansão do fluido. Acoplado á turbina um gerador elétrico gera eletricidade que é alimenta a rede de eletricidade. Depois a expansão o fluido de trabalho entra um condensador, onde é resfriado. O fluido liquido então retorna á bomba antes de ser aquecido dentro dos receptores solares. Então o ciclo se repete.

O ciclo Sterling,acontecendo no coletor disco parabólica, é baseado em diferentes passos seguintes.

A eficiência máxima dos ciclos termodinâmicas é descrevido da eficiência Carnot $\eta _{\mathrm {Carnot} }$:

$\eta _{\mathrm {Carnot} }=1-{\frac {T^{0}}{T_{H}}}$,

onde T⁰ é a temeperature ambiente e T_H é a temperatura do fluido de trabalho.

In respeito á geração térmica, temperaturas T_H maiores resultam em eficiências melhores.

Eficiência

Eficiência do planto heliotérmica como função da taxa de concentração C e a temperatura T_H

Para sistemas termodinâmicos solares, a eficiência máxima $\eta$ entre sol e trabalho, pode ser deduzida consinderando tanto as propriedades da radiação solar como o segundo princípio termodinámica de Carnot. A radiação solar primeiramente deve ser convertida em calor usando um receptor com a eficiência $\eta _{Receptor}$:

$\eta _{\mathrm {Receptor} }={\frac {Q_{\mathrm {absorbida} }-Q_{\mathrm {perdida} }}{Q_{\mathrm {solar} }}}$,

onde $Q_{\mathrm {solar} }$, $Q_{\mathrm {absorvida} }$, $Q_{\mathrm {perda} }$ são o fluxo solar de entrada, o fluxo absorvido do receptor e o fluxo perdido respectivamente.

A eficiência total da usina heliotérmica resulta considerando a eficiência Carnot $\eta _{\mathrm {Carnot} }$ em:

$\eta =\eta _{\mathrm {Receptor} }\cdot \eta _{\mathrm {Carnot} }$.

Em verdade, no ciclo de potencia real tem ourtos tipos de perdidas, que tem que ser incluído na equação d a efficiência total. Porém, $\eta _{Receptor}$ e $\eta _{Carnot}$, são os maiores contribuintes para a eficiência total $\eta$.

Para um fluxo solar I (e.g. 1000 W/m²) com a taxa de concentração C, a eficiência das sistemas ópticas $\eta _{optical}$ , a área do receptor A e a absorbância $\alpha$, os fluxos solares a absorvidos são calculado do seguinte modo:

$Q_{\mathrm {solar} }=\eta _{\mathrm {optica} }ICA$,

$Q_{\mathrm {absorbida} }=\alpha Q_{\mathrm {solar} }$.

Se pode assumir que as perdidas de calor por superfícies com altas temperaturas são unicamente devido á radiação. Assim, $Q_{\mathrm {perda} }$ se cálcula com a lei de Stefan-Boltzmann seguintemente:

$Q_{\mathrm {perdida} }=A\epsilon \sigma T_{H}^{4}$.

Simplificando estas equações considerando ópticas perfeitas (\math>\eta_\mathrm{optica} = 1</math>), áreas A de absorção e radiação iguais, e absorção e emisididae máxima ($\alpha =1,\epsilon =1$) , resulta na formulação da eficiência total de :

$\eta =\left(1-{\frac {\sigma T_{H}^{4}}{IC}}\right)\cdot \left(1-{\frac {T^{0}}{T_{H}}}\right)$.

Devido ás perdas da radiação, a eficiência não é só uma função da temperatura máxima, como no ciclo Rankine. Por cada taxa de concentração C tem uma temperatura ótima T_opt. Além disso, maior a taxa de concentração, maior a eficiência máxima do ciclo total.

Sistemas de armazenamento térmico

Plantas heliotérmicas tem a capabilidade de armazenar partes do calor em uma sistema de armazenamento térmica para suavizar a produção de eletricidade e eliminar variações de prazo curto. Isso constitua um ganho de flexibilidade com vantagens de operação em contrasto da fotovoltaica. Calor excesso não entre a turbina, más aquece um fluido de armazenamento. Tecnicamente é realizado com dois tanques, um com baixa e o outro com alta temperatura. Entre os dois tanques acontece a transferência de calor através de um trocador de calor, aquecendo um fluido de armazenagem, por exemplo sal fundido. No radiação máxima do dia, a planta produz mais calor como a turbina pode absorver. Esse calor não é perdida como numa planta sem armazenamento. Pelo contrário o calor é utilizado para gerar eletricidade durante a noite. Para o dimensionamento do tanque armazenamento da planta, ambos as custas e os requisitos são crucial. Para operação na base, tanques com grande capacidade são necessário. Entretanto, tanques menores com custas mais baixas são suficiente para a operação intermediária (i.e. durante das 8 as 19 hóras).)

Co-combustão e Modo Híbrido

Em quase todas as usinas heliotérmicas, a co-combustão de combustíveis é utilizando, ajudando de regular a geração e garantir capacidade. A co-combustão pode haver continuamente no modo híbrido ou temporário para garantir a operação durante períodos de pico demanda ou pouco radiação. Outra razão e o aumento do temperatura máximo T_H do fluido de trabalho para atingir uma melhor eficiência de Carnot. Os queimaduras, utilizando combustíveis fosseis, biogás, ou combustíveis solares, podem aquecer o fluido de trabalho ou a media de armazenamento.

Uma outra solução no modo híbrido constitua um relativamente pequeno campo de coletores que apóia um relativamente grande usina térmica convencional. Assim, o usa e as custas de combustíveis são minimizado. A aplicação é também possível para usinas existentes, como só componentes da geração heliotérmica são necessário adicionalmente. Um exemplo é a usina Liddell em Austrália : a usina heliotérmica apoio uma usina a carvão de 2000 MW_th com 9 MW_th de capacidade solar térmica. Apesar de ser relativamente pequeno, os coletores gastam umas 4000 toneladas de CO₂ por ano.

Energia heliotérmica no mundo

Os primeiros atividades na área das tecnologias heliotérmicas aconteceram no século 80 nos EUA. Depois 1990, os investimento pararam, resultando em uma capacidade acumulado de 345 MW. Desde os anos 2000, as tecnologias heliotérmicas vivenciado uma revolução com novos projetos, pesquisa e desenvolvimento em varias países. Em 2012, 2.52 GW foram instalado no mundo total com o maior mercado na Espanha com uma quota total de 66%. Uma lista compreensivo com os maiores projetos se encontra na página de CSP na Wikipédia em inglês.

Situação no Brasil

O Brasil, um país perto do equador, tem uma alta taxa de direto radiação normal no todo o país. Os melhores condições para a geração heliotérmica se encontram no Nordeste do Brasil. O governo brasileiro comunicou o incentivo de intensivar as atividades nas tecnologias heliotérmicas. Em 2010 um acordo de cooperação técnica entre o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) e o Ministério de Minas e Energia (MME) foi assinado. O objetivo é o fornecimento de energia solar no Brasil, com destaque na pesquisa e produção de tecnologias heliotérmicas no Brasil. O primeiro passo constitua a instalação do primeiro usina heliotérmica em America Latina com uma capacidade de 1 MW, concebido como centro do pesquisa para a certificação de equipamentos e capacitação de pessoal científico e técnico.

Situação no Portugal

Dos todos os países europeu, Portugal tem os melhores condições geográficos para o uso de energia solar, como tem os maiores horas solares com altas taxas de radiação. Porém, só tem atividades isoladas. Em Tavira, Algarve, opera uma usina heliotérmica de 6.5 MW com refletores Fresnel. Em Évora, Alentejo, Siemens está construindo uma planta de pesquisa para investigar sal fundido de diferentes tipos como fluido de transferência.

Custas e Previsão

Atualmente as custas para a geração de energia heliotérmica se situa entre 200 - 295 USD/MWh (= 400 - 600 R$/MWh). O parâmetro mais influente é a localização da usina: Quanto maior a irradiação e os horas de sol, menor as custas de geração. Por causa da economía de escala, a capacidade da usina é também um fator importante: reduções de 15% podem ser realizados com um dobro da capacidade. Custas de investimento fazem o maior parte, do qual 30% originem da planta solar e os coletores, 10% do armazenamento e 5% do bloco de potência. Custas de operação e manutenção são relativamente baixa, como o sol é um fonte de energia gratuita.

Como sendo uma nova tecnologia, reduções significadas dos custas de produção de eletricidade são esperando. O Departament of Energy dos Estados Unidos visa custas de cair a 150 USD/MWh em 2015 e 60 USD/MWh, correspondendo a uma redução de 25% ou 70% respectivamente. Porém do grande potencial de reduzir custas, investimentos nos últimos anos foram atribuída de preferência em fotovoltaico, como pela essa tecnologia maior reduções de custas já foram obtidos.