Energia Heliotérmica, também conhecida como Concentrating Solar Power (CSP), é o processo de uso e acúmulo do calor proveniente dos raios solares. Para que isso aconteça, espelhos são usados para refletir a luz solar e concentrá-la num único ponto, onde há um receptor. Dessa forma, grande quantidade de calor é acumulada e usada tanto para processos industriais que demandam altas temperaturas como para gerar eletricidade.

A tecnologia heliotérmica, uma das mais promissoras formas de aproveitamento da força do Sol, é o processo de geração indireta de eletricidade a partir dos raios solares. Indireta porque, antes de virar energia elétrica, o calor do sol é captado e armazenado para, depois, ser transformado em energia mecânica e, por fim, em eletricidade.

As aplicações heliotérmicas têm uma característica que as distingue de todas as energias intermitentes: a possibilidade de incorporar um armazenamento térmico. Isso significa que uma parte da energia do Sol é estocada em forma de calor e, quando o Sol gera mais energia do que a usina ou indústria é capaz de utilizar, uma parte dela pode ser guardada num depósito térmico à parte. Além disso, ainda é possível integrar as tecnologias heliotérmica com outras fontes de energia, assegurando a geração em qualquer cenário e também do uso do calor para outros processos industriais.

Regiões com baixa presença de nuvens, altos níveis de radiação solar e terrenos planos caracterizam o cenário ideal para a implantação de um projeto heliotérmico. O Brasil é, portanto, um país com rico potencial, principalmente na região Nordeste e em parte das regiões Centro-Oeste e Sudeste. Além disso, a instalação de uma usina heliotérmica em áreas áridas promove o desenvolvimento da região, cria postos de trabalho diretos na construção e manutenção da planta heliotérmica e postos indiretos nas indústrias fornecedoras para o novo mercado.

Funcionamento

Uma usina heliotérmica é muito parecida com uma usina termoelétrica. A diferença é que, em vez de usar carvão ou gás como combustível, utiliza o calor do Sol para gerar eletricidade. A usina heliotérmica segue um processo dividido basicamente em duas etapas:

1. Concentração de energia térmica por meio de um campo solar;

2. Geração de energia elétrica num processo praticamente convencional.

A grande vantagem da tecnologia heliotérmica é a possibilidade de armazenar energia em forma de calor. Assim, é possível gerar energia elétrica mesmo quando não há sol, em dias nublados ou durante a noite. Além disso, também é possível utilizar a tecnologia heliotérmica em conjunto com outros combustíveis, como a biomassa, o gás natural ou o carvão, para garantir a produção de energia a qualquer momento.

O processo heliotérmico tem início com a reflexão dos raios solares diretos utilizando um sistema de espelhos, chamados de coletores ou helióstatos. Esses espelhos acompanham a posição do Sol ao longo do dia e refletem os raios solares para um foco, onde se encontra um receptor. Dessa forma, o calor é transmitido para um líquido, o Fluido Térmico, que se mantém em alta temperatura.

Existem diversos tipos de fluidos que podem servir para transportar o calor do Sol na usina heliotérmica: sais fundidos, óleos térmicos, água e ar – estes são os mais utilizados até hoje.

Existem usinas heliotérmicas de vários tipos; a principal diferença entre elas é o mecanismo de concentração solar:

Coletor Cilindro-Parabólico

Espelhos cilindro-parabólicos são utilizados para concentrar a luz solar em tubos receptores posicionados ao longo da linha focal dos espelhos, que são desenhados para seguir a posição do Sol.

Um fluido de transferência circula através desses tubos e é aquecido pelos raios solares até aproximadamente 400°C no caso do óleo térmico ou 450°C no caso de sais fundidos. Esse fluido é bombeado através de uma série de trocadores de calor, de forma a produzir vapor dentro da usina. O vapor é, então, utilizado para movimentar turbinas e gerar eletricidade.

Linear Fresnel

O coletor Fresnel segue um conceito parecido com o do coletor cilindro parabólico, mas com algumas importantes diferenças:

• A linha focal, onde a energia do Sol é concentrada, não se move, o que torna mais fácil utilizar um fluido sob pressão, já que as conexões não precisam ser flexíveis.
• Água sob pressão (~60 bar / 300°C) pode ser usada diretamente no receptor, não sendo necessário incluir um Trocador de Calor e, portanto, pode-se utilizá-la diretamente no estado de vapor para movimentar a turbina. Outra opção é usar no receptor sais fundidos para chegar a temperaturas mais altas (~450°C). Neste caso, é necessário bombear o fluido através de uma série de trocadores de calor para gerar vapor, que, por sua vez, será utilizado para movimentar turbinas e gerar eletricidade.
• Espelhos planos para coletores Fresnel são mais fáceis de serem produzidos, o que os tornam mais baratos. No entanto, espelhos planos têm mais perdas óticas, apresentando menor eficiência.

Torres Solares

A principal característica dessa tecnologia é a presença de uma imensa torre no centro da usina. Um conjunto de espelhos concentra a luz solar num receptor central localizado no alto da torre. O receptor absorve a radiação concentrada pelos helióstatos e a converte em calor, que é conduzido por meio do Fluido Térmico para o gerador de vapor da usina, localizado na base da torre.

O fluido circula na área central da planta. Em contraste com as tecnologias cilindro parabólico ou Fresnel, não há um sistema de tubos no campo solar. Isso permite uma desenho compacto da parte térmica da torre solar.

Discos Parabólicos

Um refletor em formato de disco parabólico concentra a luz solar em um receptor localizado no ponto focal do espelho parabólico, como mostra a imagem abaixo. O feixe de irradiação é absorvido pelo receptor para aquecer um fluido até aproximadamente 750°C. O calor desse fluido é, então, utilizado num motor ou numa microturbina localizada no receptor.

Hoje, esta tecnologia é pouco utilizada, pois ainda é difícil utilizá-la para armazenar energia e, dessa forma, entra em concorrência direta com a energia fotovoltaica, que é mais simples e barata.

Parte Convencional

Após a concentração dos raios solares e a transmissão do calor para o fluido térmico, a energia térmica é convertida em elétrica: o calor do fluido aquece a água, até que, devido às altas pressão e temperatura, ela se transforme em vapor e seja utilizada para girar uma turbina conectada a um gerador elétrico. Este gerador faz a conversão da energia mecânica, obtida pelo giro da turbina, em elétrica. Por fim, o restante do calor é transferido para um circuito independente de refrigeração, que faz o vapor ser condensado e voltar ao estoque de água.

Este processo é idêntico ao de outras usinas convencionais como as a gás, carvão ou nucleares. A diferença é que, numa usina termoelétrica convencional, o vapor é gerado pela queima de combustíveis fósseis, enquanto numa usina heliotérmica, ele é obtido do calor gerado pela concentração dos raios solares.

Armazenamento

As usinas heliotérmicas têm uma característica que as distinguem de todas as energias intermitentes, como a eólica e a fotovoltaica: a possibilidade de incorporar um armazenamento térmico. Isso significa que uma parte da energia do Sol é estocada em forma de calor, ou seja, quando o Sol gera mais energia do que a usina é capaz de transformar em eletricidade, uma parte dela pode ser guardada num depósito térmico à parte. Este armazenamento é feito por meio de um método de retenção de calor, com sal derretido ou módulos de cerâmica, por exemplo. Dessa forma, o armazenamento de calor na usina heliotérmica funciona como o reservatório de água de uma usina hidrelétrica.

O calor armazenado pode ser acionado sempre que a irradiação solar diminuir – seja durante a noite ou por causa de nuvens no céu e pancadas de chuva. Esse reservatório ajuda a equilibrar a produção elétrica, o que faz com que a usina heliotérmica possa prover energia a qualquer hora do dia (energia despachável). Na operação do sistema elétrico heliotérmico como um todo, o armazenamento de energia ajuda a fornecer eletricidade sempre que houver demanda – sendo isso uma vantagem quando comparada a uma usina a gás, carvão ou hidroelétrica com reservatório.

O armazenamento pode ser feito de maneira direta ou indireta. Na direta, o fluido de trabalho do campo solar atua como meio que armazena e troca o calor. Hoje em dia, o Sal Fundido é geralmente utilizado na configuração direta. Esta alternativa apresenta custos mais baixos e maior eficiência global, devido à dupla função do fluido no processo, eliminando assim a necessidade de um transformador de calor.

Já em sistemas indiretos de armazenamento, o óleo térmico que passa pelo coletor solar é direcionado para um trocador de calor. O calor do óleo é, então, transferido para o meio armazenador – geralmente sais fundidos, como sódio e nitratos de potássio.

As grandes vantagens de incorporar um sistema de armazenamento térmico são:

• Geração 24 horas: permite produzir eletricidade durante a noite e em dias nublados.
• Estabilização da rede na integração com outras fontes de energia alternativas, como eólica e fotovoltaica. Estas são fontes não despacháveis e, portanto, menos confiáveis para a produção de energia.
• Estabilidade para lidar com as variações na produção e demanda de energia.

A heliotermia pode ser combinada com fontes convencionais de energia. Nesse caso, a usina forma um sistema híbrido. A usina híbrida tem duas grandes vantagens:

• Graças à instalação de um sistema heliotérmico, a usina termoelétrica (convencional a gás, carvão ou diesel) economiza recursos naturais e diminui os custos da produção energética. Enquanto houver uma quantidade de irradiação solar suficiente, a energia é gerada através da concentração solar. Somente quando a energia solar for insuficiente o sistema aumenta de novo o uso dos recursos convencionais.
• Uma usina heliotérmica pode aperfeiçoar ainda mais o fornecimento contínuo da energia quando ela integra a opção de abastecer o ciclo com gás ou óleo. Na ocorrência de qualquer baixa de produção de energia (por causa de uma chuva inesperada, por exemplo), o combustível é uma solução imediata para assegurar a produção.

O sistema híbrido é bastante resistente às mudanças na demanda de energia e contribui para a superação de momentos de pico. Além disso, a cada hora de abastecimento solar são reduzidos os custos de geração de energia e as emissões de gases.

Fonte: Energia Heliotérmica