Energia Heliotérmica

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Energia Heliotérmica 
O que é : 
A 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 geração elétrica heliotérmica acontece de forma indireta : 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. O calor captado aquece um líquido que passa pelo receptor, chamado de Fluido 
Térmico. Esse líquido armazena o calor e serve para aquecer a água dentro da usina e gerar vapor. 
A partir daí, a usina heliotérmica segue os mesmos processos de uma usina termoelétrica: o vapor 
gerado movimenta uma turbina e aciona um gerador, produzindo, assim, energia elétrica. 
 
 
Fig 1: Campo Solar 
 
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. 
Como funciona? 
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 heliostatos. 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. 
 
Mecanismos de concentração solar 
Existem usinas heliotérmicas de vários tipos; a principal diferença entre elas é o mecanismo de 
concentração solar. 
 
Fig 2: Tipos de concentradores solares. 
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. 
 
Coletor 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 heliostatos 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. 
Diferença para energia fotovoltaica 
Na geração fotovoltaica, a Radiação Difusa (luz difusa) também pode ser 
aproveitada. Já na heliotermia, somente os raios vindos diretamente do Sol servem 
para o funcionamento da planta. 
 
Já na geração fotovoltaica, a luz do Sol é convertida diretamente em energia 
elétrica. Na heliotermia, a geração de energia acontece em dois passos: primeiro, os 
raios solares aquecem um receptor e, depois, este calor é usado para iniciar o 
processo convencional da geração de energia elétrica por meio da movimentação 
de uma turbina.Na energia heliotérmica é possível armazenar a energia térmica, já 
na energia fotovoltaica o armazenamento só é possível por meio de baterias. 
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. 
Durante o dia, 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 fundido 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. 
 
Sal fundido é um sal que passou do estado sólido para o estado líquido 
através de um processo de aquecimento. Ele é usado em usinas heliotérmicas para 
gerar vapor ou armazenar energia em forma de calor para uso posterior. 
 
Pontos positivos 
Lucrativa 
A luz do sol, que é gratuita, é o combustível usado para abastecer uma usina 
heliotérmica. Assim, este tipo de energia torna-se rentável quando passa a ter uma 
vida útil de longo prazo, compensando o investimento inicial. Outro fator importante 
é que os custos de operação são mínimos. 
Segura 
A energia heliotérmica está sempre disponível, pois a usina com armazenamento 
térmico permite geração de energia mesmo em dias nublados ou durante a noite. 
Ela oferece energia despachável, ou seja, sempre que for necessário. 
Limpa 
Para produzir energia com heliotermia, não são necessários extração ou transporte 
de combustíveis fósseis. Uma usina heliotérmica pode funcionar sem a queima de 
nenhum combustível, sem emitir gases poluentes e do efeito estufa: os arredores da 
usina ficam livres de poluição do ar e do solo, além de não gerar Dióxido de 
Carbono (CO2), que agrava o aquecimento global. 
 
Outras utilizações 
1. Produção de calor para processos industriais (​calcinação, secagem 
de gesso, secagem de pintura de carros; 
2. Refrigeração ​(ar-condicionado, produção de água gelada, 
congelamento de produtos agropecuários)​​; 
3. Dessalinização de água do mar. 
 
Energia Heliotérmica no Brasil 
O Brasil atualmente não tem nada de grande escala construído, entretanto possui alguns 
projetos em desenvolvimento, como o projeto SMILE ( Sistema solar híbrido com microturbina para 
geração de eletricidade e cogeração de calor na agroindústria), que é uma parceria entre várias 
instituições : FZEA, Solinova, BNDES, ELEKTRO e DLR( centro aeroespacial alemão). 
O intuito desse projeto é a construção de duas usinas heliotérmicas com torre central, uma 
em Pirassununga - SP e outra em Caiçara do Rio do Vento - Rn, para geração de eletricidade e calor 
a serem utilizados em atividades agroindustriais (laticínio e matadouro). 
Além de projetos em planejamento temos pequenos experimentos instalados, focados 
apenas em pesquisa e desenvolvimento, um no Laboratório Solar Térmico da Unifei, e o outro no 
CEFET ( centro federal de educação tecnológica de Minas Gerais) 
 
 
 
Recentemente fundado no Brasil, o CRESP( centro de referência em energia solar), em 
Petrolina - PB, receberá investimento de mais de 152 milhões de reais para movimentar atividades 
de pesquisa e desenvolvimento. 
O centro deverá receber a instalação de 3 estruturas 
● Planta base: usina fotovoltaica 
● Planta tecnológica: usina heliotérmica de torre central e outra usina heliotérmica mas com 
calha parabólica). 
Quando todas as estruturas estiverem prontas, está previsto uma geração de 3 MW. 
A introdução de usinas heliotérmicas no Brasil pode ser vista com bons olhos, pois é uma 
vantagem para a indústria nacional já que grande parte das peças usadas em usinas heliotérmicas 
são as mesmas de usinas convencionais. Os espelhos e estruturas metálicas também podem ser 
produzidos no Brasil. 
Uma usina heliotérmica pode ser construída com mão-de-obra nacional, favorecendo a 
economia brasileira e o desenvolvimento do setor industrial. 
Mudando o ponto de vista de nacional para internacional, a energia heliotérmica é uma 
opção já em uso e alguns países como África do Sul, Argélia, Austrália, Chile, Egito, Emirados 
Árabes Unidos, Espanha, Estados Unidos, Índia, Marrocos. 
Entretanto há uma grande concentração de usinas na Espanha e nos Estados Unidos, cerca 
de 90% da quantidade global. 
 
Os pontos vermelhos indicam algumas usinas instaladas(link para ver as usinas por satélite: 
http://energiaheliotermica.gov.br/pt-br/energia-heliotermica/tour-virtual , projetos em  
desenvolvimento, e usinas em construção, e com um zoom próximo podemos ver uma usina de torre 
central localizada na Espanha, a usina Gemasolar: 
(​https://www.youtube.com/watch?v=LMWIgwvbrcM , link onde é possível ver mais da usina) 
 
 
Algumas curiosidades, não somente usam as usinas heliotérmicas para a produção de 
energia elétrica, também são usadas para produção de calor, um exemplo é uma indústria de queijos 
italiana que instalou uma pequena usina em sua propriedade para usar do calor na produção dos 
queijos. 
Por ano a empresa deixou de consumir 50 mil litros de combustível, emitir 180 toneladas de 
CO2 e o investimento inicial deve retornar em 4 anos. 
Continuando nas curiosidades, temos a usina com a torre central mais alta do mundo, em 
construção no deserto do Megev, Israel, é a usina solar de Ashalim. 
A torre central possui 250 metros de altura, a sua volta 50.600 heliostatos, ela tem uma 
capacidade de gerar 121 MW, o que iluminaria 125 mil casas, a contrução es planejada para ser 
concluída em 2018. 
A estrutura de torre central e seus heliostatos é só uma de três obras planejadas no projeto, 
futuramente serão construídos um local para armazenar a energiasolar em forma de calor e uma 
usina fotovoltaica para gerar ainda mais energia elétrica. Ao final, as três obras terão um potencial 
energético de cerca de 310 MW. 
 
 
E a usina heliotérmica com a maior capacidade de geração de energia está localizada nos 
Estados Unidos, próximo a Las Vegas, a usina de Ivanpah é um conjunto de três torres centrais e 
172 mil heliostatos, a sua capacidade máxima é de 393 MW, tem uma geração de energia anual de 
aproximadamente 1 milhão de MW.h ( Itaipu gera cerca de 100 milhões de MW.h) e beneficia mais 
de 140 mil casas. 
A seguir uma vista aérea pelo satélite: 
 
A seguir um gráfico mostrando como era o cenário da energia heliotérmica mundial: 
 
E nesse gráfico uma previsão do crescimento e desenvolvimento da energia heliotérmica ao 
redor do mundo: