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Implantação da energia heliotérmica no Brasil: quais projetos estão alinhados com essa tecnologia? G ru p o d e P es q u is a e m R e ci cl ag e m E fi ci ê n ci a En e rg ét ic a e Si m u la çã o d e P ro ce ss o s D ep ar ta m en to d e E n ge n h ar ia d e B io ss is te m as Fa cu ld ad e d e Zo o te cn ia e E n ge n h ar ia a d e A lim en to s U n iv er si d ad e d e Sã o P au lo 2005 2006 2008 2007 2009 20152011 2012 2013 2014 2010 2016 . Histórico de Eventos e Projetos Disciplina de Tópicos Especiais em Engenharia de Biossistemas iNOPA SUMMER SCHOOL - Heliostat Project and Simulation in Pirassununga SP Brasil Red Iberoamericana de Energia (REDIENE).T ercera Reunión de Coordinación. 2º progress meeting of the SOLHYCO. (Reunião Técnica). VI GERA: Workshop de gestão de energia e resíduos na agroindústria: Tecnologias para eficiência. 3º Fórum Intern. pelo Desenv. Sustentável. Projetos Solhyco e Smile (plantas de cogeração solar híbrida). I GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos da Agroindústria Fundação do Grupo de Pesquisa em Reciclagem, Eficiência Energética e Simulação Numérica (GREEN). II GERA: Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agricultura Socroalcooleira. Lançamento Projeto SOLHYCO: Geração Híbrida de Energia Elétrica (Solar e Biocombustíveis). V GERA: Workshop de Gestão e Eficiência Energética na Agroindústria. II Reunión de la Red Iberoamericana de Energia (REDIENE). Reunión de Coordinacion Final de la REDIENE y Taller de ideas de proyectos. Curso de formação em energia heliotérmica (CSP). Dr. Celso E. L. Oliveira Dr. Fernando G. Tonin Dr.Odivaldo jose Seraphim Dr.Jorge L. D. Calle André Dr Gilles Maag Me.Pedro H. S. Bezerra Gilberto Guilherme B. Ribeiro Vitoria R. da Silva Lucas H. Infante Thiago Fioravante Luan J. de Sousa Taisa Santos da Silva Kimberly T. de Oliveira Pedro H. F. Guarnieri Maicon D. Bastos Renan de S. Carvalho Cristina Tiyaki Koike USP/FZEA USP/FZEA UNESP Doutorando USP/POLI USP/FZEA USP/FZEA UNIFEIUSP/FZEAUSP/FZEAUSP/FZEAUSP/FZEA Bolsista USP/FZEA Bolsista MestrandoMestrando Pós-doutorado ORGANOGRAMA DO GRUPO Bolsista Achiles Pedro MestrandoMestrando Slide 4 12 Partners of 9 countries Duração projeto : 01.01.2006 - 30.06.2010 Solar-Hybrid Power and Cogeneration Plants Acronym: SOLHYCO http://www.fzea.usp.br/greenProject Webpage: PROJECTS and PARTNERSHIP Scientific and Technological Alliance for Guaranteeing the European Excellence in Concentrating Solar Thermal Energy (STAGE-STE) FP7 Grant Agreement Nr. 609837 1st February 2014 – 31st January 2018 PROJECTS and PARTNERSHIP STAGE-STE Consortium (today) Participant no. Organisation name Country 1 (Coord.) CIEMAT SPAIN 2 DLR GERMANY 3 PSI SWITZERLAND 4 CNRS FRANCE 5 FISE GERMANY 6 ENEA ITALY 7 ETHZ SWITZERLAND 8 CEA FRANCE 9 CYI CYPRUS 10 LNEG PORTUGAL 11 CTAER SPAIN 12 CNR ITALY 13 CENER SPAIN 14 TECN SPAIN 15 UEVORA PORTUGAL 16 IMDEA SPAIN 17 CRAN UK 18 TKN SPAIN 19 UNIPA ITALY 20 CRS4 ITALY Participant no. Organisation name Country 21 INESC-ID PORTUGAL 22 IST-ID PORTUGAL 23 SENER SPAIN 24 AREVA FRANCE 25 HITIT TURKEY 26 ACCIONA SPAIN 27 SCHOTT GERMANY 28 ASE ITALY 29 ESTELA BELGIUM 30 ASNT SPAIN 31 KSU SAUDI ARABIA 32 UNAM MEXICO 33 SUN SOUTH AFRICA 34 CSERS LYBIA 35 CSIRO AUSTRALIA 36 FUSP BRAZIL 37 IEECAS CHINA 38 UDC CHILE 39 UCAM MOROCCO 40 FBK SPAIN CEISA “Heliothermic Energy Studies (CSP): Educational Consortium for the Integration and Sustainability in the Agro-industry PROJECTS and PARTNERSHIP Energía Solar Térmica de Concentración en Iberoamérica PROJECTS and PARTNERSHIP http://www.redcytedestci.org/ SMILE-Microturbine systems-Solar Hybrid for cogeneration of electricity and heat for the Agroindustrial Integration of a Solar Receiver and Microturbine PROJECTS and PARTNERSHIP ©GREEN – Av. Duque de Caxias Norte, 225 - USP – Pirassununga -SP, Brasil - CEP 13635-900 – Telefone +55(19) 3565-4364 Parceiros: CLIMATEMPO www.usp.br/green Introdução 12 Tecnologia STE Sistemas de foco linear Colectores CCP Refletores Fresnel Sistemas de foco pontual Rango de Temperatura: <500°C • Em que consiste uma Planta Solar Térmica de Concentração (STE Plant, heliotérmica)? – Uma planta STE é um sistema onde se concentra a radiação solar direta e a converte em energia térmica de média/alta temperatura (200°C - 1000°C). – Esta energía térmica é empregada num ciclo termodinâmico para produzir eletricidade (ou como calor de processo para a industria). Receptor Central 100 m Campo Solar (Heliostatos) Receptor Sistema de Conversão de Potência Torre Tubo Receptor Concentrador Cilindroparabólico Estructura Vista de um captador cilindroparabólico Campo solar Bloco de Potencia (geração de eletricidade Concentrador Fresnel Receptor Refletores longitudinais Capacidade unica em termos de integrabilidade com centrais convencionais Com armazenamento térmico ou com apoio a combustíveis as centrais solares dão garantia de capacidade de despacho sem perturbações estocáticas da rede Pode fornecer a potência de pico no Verão (NE) quando a água é escassa. Proporciona aplicaões a escala do MW. Centrais SolaresTérmicas Uma ambição a medida das suas capacidades 19 Campo Solar Sistema de conversión de potencia Sistemas Calha Cilindro Parabólica FONTE: FLABEG /GIZ Introdução 21 Tecnologias STE Sistemas de foco Pontual Torres Discos Parabólicos Sistemas de Foco Linear Rango de Temperaturas: 200-1000°C • Em que consiste uma Planta Solar Térmica de Concentração (STE Plant, heliotérmica)? – Uma planta STE é um sistema onde se concentra a radiação solar direta e a converte em energia térmica de média/alta temperatura (200°C - 1000°C). – Esta energía térmica é empregada num ciclo termodinâmico para produzir eletricidade (ou como calor de processo para a industria). Sistemas de Torre Central 22 Campo de Heliostatos Receptor BoP Torre Almacenamiento Ciclo Rankine Simple (ciclo de vapor) 23 • Eficiencia Térmica • Ejemplo: 𝑃2 = 100 bar 𝑃3 = 0.05 bar steam fraction3 = 0.85 𝜂 ≈ 21% Boiler Steam turbine CondenserFeed pump Wout 2 3 1 Win Qin 4 T em pr at ur e, T Entropy, S 1 2 34 1` Wout Qout Win Qin 𝜂= 𝑊𝑜𝑢𝑡 − 𝑊𝑖𝑛 𝑄𝑖𝑛 = ℎ2 − ℎ3 − ℎ1 − ℎ4 ℎ2 − ℎ1 Heliostatos Dimensão Grande [100 a 150m²] Pequenas Dimensões: [4 a 10 m²] Formatos Inovadores SBP FONTE: GIZ • Eficiência Térmica: • Ejemplo: 𝑃2 = 100 bar, 𝑇2′ = 450℃ 𝑃3 = 0.05 bar steam fraction3 = 0.85 𝜂 ≈ 34% Ciclo Rankine com Sobre aquecimento 25 Te m pe ra tu ra , T Entropía, S 1 2' 34 1' 2 x = 0 x = const. x = 1 P2 = c on st. P3 = co ns t. 𝜂= 𝑊𝑜𝑢𝑡 − 𝑊𝑖𝑛 𝑄𝑖𝑛 = ℎ2′ − ℎ3 − ℎ1 − ℎ4 ℎ2′ − ℎ1 Boiler TurbinaCondenserPump Wout2 3 1 QoutWin Qin 4 2' Steam superheater 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Compresion Rate Ciclo Brayton con Regeneración Regenerative Brayton Symple Specific Work (kJ/kg)/10 E ff ic ie n c y • Ciclo de vapor com recuperador(eficiência do ciclo de vapor ~ 37.6%) • Potencia Nominal = 80MWe (eficiência anual (solar-elétrica ~ 13.6%) 27 • O campo solar aporta energia térmica ao gerador de vapor do ciclo Rankine (unfired boiler steam generator) • Fluido de transferência: òleo Térmico • Campo solar acoplado ao gerador de vapor, sobre aquecedor e/ou recuperador • Estabilidade da rede moderada (Hibridização com combustíveis fósseis no campo solar e/ou no gerador de vapor) Plantas CCP sem TES : Planta tipo SEGS Super-heater Steam generator . Deaerator Re-heater Oil expansion vessel Auxiliar heater Solar Field Steam turbine Condenser Oil at 295 ºC Oil at 390 ºC Steam at 104 bar/371 ºC O il ci rc ui t SEGS Plant SEGS IX Scheme Source: CIEMAT 28 Plantas CCP sem TES : Planta tipo SEGS 29 Campo solar aporta energia térmica ao gerador de vapor do ciclo Rankine e ao armazenamento térmico Alta estabilidade de rede Configuração padrão: Tecnologia de óleo térmico Armazenamento em sais fundidas: 2 tanques Configuração do campo solar com armazenamento central (> 500.000 m2 de superfície de espelhos para uma potência de 50 MWe e 7,5 h de armazenamento térmico) • Ciclo de vapor com recaquecimento y regeneração (eficiência do ciclo de vapor ~ 37.5%) • Potencia Nominal = 49.9 MWe • Armazenamento: • Mescla de sais de nitrato (60% NaNO3 – 40% KNO3) • Capacidade 7,7 h @ 50MW (28500 Toneladas de sais fundidas) Source: Solar Millenium AG Plantas CCP: Planta tipo ANDASOL 30 Plantas CCP com TES : Planta tipo ANDASOL 31 • Planta solar híbrida com campo solar integrado na parte de vapor de uma planta de ciclo combinado (gás natural): – Vapor de alta pressão HRSG HP-stage of Steam Turbine (ST) – Vapor de baixa pressão LP-stage of ST Source: CIEMAT, LVG Gas Turbine Heat Recovery Steam Generator (HRSG) H G S G E xh a u st G T E xh a u st g a s Feed water Steam Generator L P S te a m Steam turbine Feed water Expansion Vessel Expansion Vessel Steam Generator H P S te a m Option 1 – Solar Field for High Pressure Steam Option 2 – Solar Field for Low Pressure Steam Thermal oil Thermal oil Plantas CCP sem TES : Integração em ciclos combinados 32 Source: Fitchner Solar GmbH • Potencia Nominal = 20 MWe • Campo Solar: 40 laços de 4 captadores; òleo térmico Plantas CCP sem TES : Planta tipo Kuraimat • Planta solar híbrida com campo solar integrado na parte de vapor de uma planta de ciclo combinado (gás natural): – Vapor de alta pressão HRSG HP-stage of Steam Turbine (ST) Plantas STE com captadores CCP: Tecnologia de Geração Direta de Vapor 33 • Campo solar integrado diretamente no ciclo Rankine • Geração de vapor saturado/sobreaquecido no campo solar. • Condições de operação: – @100 bar, @450°C(superheated) Source: DLR • Configurações do campo solar: • Modo Recirculação: Campo Solar dividido em zones de evaporação e sobreaquecimento; emprega um separador intermediário e uma bomba de recirculação • Modo Um-só-Passo: A água se pré-aquece, evapora y sobreaquece em cada laço do campo solar 34 Integração com Ciclos Rankine Sistemas de Foco Pontual Ciclos Rankine Geração Direta de Vapor Sais Fundidas Ar Atmosférico Ciclo Brayton Aire/Gases Presurizados 35 Vapor Saturado Conexão direta entre radiação solar e geração de vapor Controle simples Baixa eficiência Armazenamento de baixa eficiência Ciclos Rankine: Geração Direta Heliostat Field Solar receiver Steam Storage System 40 bar, 250ºC »Steam Drum Turbine Heliostat Field Steam Storage System Steam Condenser 0,06 bar, 50ºC Steam Drum Turbine Boiler Steam turbine CondenserFeed pump Wout 2 3 1 Win Qin 4 T em pr at ur e, T Entropy, S 1 2 34 1` Wout Qout Win Qin 36 PS20: Sevilla, España ABENGOA Ciclos Rankine: Geração Direta Solar Field 150,000 m² # of Heliostats: 1,255 Heliostat Aperture Area: 120.0 m² Tower Height: 165 m Receiver Type: Cavity Heat-Transfer Fluid Type: Water Receiver Outlet Temp: 250 - 300 Power Block Turbine Capacity (Net): 20.0 MW Power Cycle Pressure: 45.0 bar Thermal Storage Storage Type: Pressurized water Storage Capacity: 1 hour(s) Vapor Sobreaquecido Conexão direta entre radiação solar e geração de vapor. Fluxo bifásico: dificulta o controle Baixa eficiência Armazenamento não resolvido Ciclos Rankine: Geração Direta Heliostat Field Solar receiver 65-100 bar, up to 550ºC » Turbine Heliostat Field Steam Condenser 0,06 bar, 50ºC Turbine Te m pe ra tu ra , T Entropía, S 1 2' 34 1' 2 x = 0 x = const. x = 1 P2 = c on st. P3 = co ns t. Boiler Turbina CondenserPump Wout2 3 1 QoutWin Qin 4 2' Steam superheater 38 Ivanpah Solar Electric Generating System. Desierto de Mojave, EEUU BrightSource Ciclos Rankine: Geração Direta Solar Field 2,600,000 m² # of Heliostats: 173,500 Heliostat Aperture Area: 15 m² Tower Height: 140 m (3 towers) Receiver Type: External Heat-Transfer Fluid Type: Water Receiver Outlet Temp: 565 Power Block Turbine Capacity (Net): 377 MW Power Cycle Pressure: 160.0 bar Thermal Storage Storage Type: none 39 Desacoplamento entre radiação solar e geração de vapor Armazenamento nas próprias sais: muito eficiente Temperatura mínima de operação: 280OC Ciclos Rankine: Sais fundidas 40 Gemasolar. Sevilla, España Torresol Energy Ciclos Rankine: Sais fundidas Solar Field 304,750 m² # of Heliostats: 2,650 Heliostat Aperture Area: 120 m² Tower Height: 140 m Receiver Type: External Heat-Transfer Fluid Type: Molten Salt Receiver Outlet Temp: 565 Power Block Turbine Capacity (Net): 19,9 MW Power Cycle Pressure: 115.0 bar Thermal Storage Storage Type: two tanks molten salt (15h) 41 Ciclos Rankine: Ar Atmosférico Conexão direta entre a radiação solar e a produção de vapor Tecnologia de armazenamento em calor sensível (leito de rochas-alumina) Facilmente controlável 42 Torre Solar de Jülich, Alemania Kraft Anlage München (KAM) Ciclos Rankine: Ar Atmosférico Solar Field 17,650 m² # of Heliostats: 2,153 Heliostat Aperture Area: 8,2 m² Tower Height: 60 m Receiver Type: Volumetric, External Heat-Transfer Fluid Type: Air-Atmospheric Receiver Outlet Temp: 680 Power Block Turbine Capacity (Net): 1,5 MW Power Cycle Pressure: 115.0 bar Thermal Storage Lecho cerámico 43 Ciclo Brayton: Ar/Gases Pressurizados 44 AORA SOLAR, ESPAÑA AORA SOLAR SPAIN Ciclo Brayton: Ar/Gases Pressurizados Solar Field 880 m² # of Heliostats: 55 Heliostat Aperture Area: 16 m² Tower Height: 35 m Receiver Type: Porcupine Heat-Transfer Fluid Type: Air-Pressurized Receiver Outlet Temp: 800 Power Block Turbine Capacity (Net): 100 kW Power Cycle Pressure: 15.0 bar Cogeneration: 175 kWth Tecnologias Novas Tecnologias MadurasTecnologias Emergentes TECNOLOGIA DEMANDADA TECNOLOGIA INCENTIVADA DKTI-CSP Introdução Comercial Comercialização Plantas de Demonstração Ciência AplicadaPesquisa Básica Cooperação técnica existente Heliotermia e o projeto DKTI-CSP na cadeia de inovação Componentes Industriais Fo n te : Er n st & Y o u n g Oportunidades Cogeração de Energia Aproveitamento de fontes locais Brazilian Agribusiness “Biomass Supplier and future client” Plano Nacional de Agroenergia • Variabilidade de cultivos • Estimativa 200 milhões hectares • Evita a competição de biocombustíveis x alimentos Matérias primas Venezuela Xingu Boa Vista Macapá Manaus Rio Branco P. Velho Madeira Argentina / Paraguai Sul Centro-Oeste Sudeste Nordeste Norte Uruguai Guiana centros de carga isolados que serão interligados ao SIN pólos de geração subsistemas do SIN Legenda : interliga ções existentes centros de carga isolados que serão interligados ao SIN pólos de geração subsistemas do SIN Legenda : interliga ções existentes novas interligações possíveis Venezuela Boa Vista Macapá Manaus Rio Branco P. Velho Madeira Argentina / Paraguai Sul Centro-Oeste Sudeste Nordeste Norte Uruguai Guiana Tapajós Heliotermia Médio de transferência térmica Armazenamento de calor Calha Cilindro Parabólica Calha Linear Fresnel Torre Central Disco Parabólica Água quente Óleo térmico Vapor Sal fundido Ar quente Ótica / Luz Vapor saturado Óleo térmico Sal fundido Blocos/Partículas cerâmicos Cimento Armazenamento termoquímico Evaporação Esterilização Fundição Desengraxamento Cozinhar/ Fervura Secagem Pasteurização Extração/Destilação Refrigeração Ar condicionado Dessalinização Branqueamento Reações bioquímicas Tratam. de Superfície Desintoxicação Processo Industrial Aplicações não elétricas ESQUEMA BÁSICO USINA DE GERAÇÃO INCIDÊNCIA SOLAR BIOCOMBUSTÍVEL CALOR ENERGIA ELÉTRICA FRIO Unidade de Vapor, Eletricidade e Frio Radiação Solar Eletricidade excedente Certificado de Carbono Matéria- Prima Frigorífico Produto Final E le tr ic id a d e C a lo r F ri o Unidade de Produção Biodiesel Biodiesel Excedente SMILE - SISTEMAS DE MICROTURBINA SOLAR-HÍBRIDA PARA COGERAÇÃO DE ELETRICIDADE E CALOR PARA O SETOR AGROINDUSTRIAL – SOLINOVA – USP / FZEA Pirassununga (campo experimental SE) – ADECARVE (campo experimental NE) – DLR (contrapartida empresarial externa) – BNDES (contrapartida institucional interna) PROJETO / PARCERIAS Centrais Solares de Torre – Alta concentração, temperatura e Eficiência para diversas aplicações • Os objetivos específicos do projeto são: – Introduzir e desenvolver a tecnologia de energia solar de alta temperatura no Brasil; – Desenvolver e capacitar uma cadeia nacional de fornecedores; – Capacitar mão de obra para construção e operação de plantas baseadas nesta tecnologia; – Gerar um modelo de desenvolvimento econômico utilizando a energia solar como vetor estratégico; – Estudar a viabilidade da geração solar na matriz energética brasileira; – Implantar uma estrutura de suporte a pesquisa, desenvolvimento e inovação na área de energia solar de alta temperatura. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DO PROJETO • Planta 2: Central com estocagem de calor (Sol+Bateria Cerâmica+ Biodiesel) + matadouro escola na FZEA, Campus da USP em Pirassununga, São Paulo SITES ESCOLHIDOS • Planta 1: Central híbrida (Sol+Biomassa) + Laticínio da ADECARVE em Caiçara do Rio dos Ventos, Rio Grande do Norte – Projeto Portal dos Ventos CENTRAL DE TORRE - PIRASSUNUNGA • Projeto piloto de central de torre integrada à uma agroindústria; • Área de 1ha; • Capacidade de 100 kW térmicos; • Planta de cogeração – garantir suprimento de calor na ausência de sol; TECNOLOGIA • Esta tecnologia é a única que, combinada com uso de biocombustíveis ou sistema de armazenamento de calor é capaz de promover a cogeração – Cogeração: combinação para gerar energia elétrica e aproveitamento térmico através de gases de escape produzido no processo. FORRAGEM FRIGORÍFICO FÁBRICA DE RAÇÃO BIODIGESTOR BIODIESEL /COMPOSTAGEM CURTUME PRODUTOS APICULTURA ABATEDOURO REBANHOS PISCICULTURA LATICÍNIO GIRASSOL POMAR IRRIGAÇÃO ALGAROBA MARCENARIA PLATAFORMA SOLAR* ESTUFA MOSCÁRIO HOTEL FAZENDA* FLUXOGRAMA DAS ATIVIDADES PRODUTIVAS ENERGIA Planta Termo Solar Pirassununga FZEA / USP Campos em baixa latitutde Planta – Caiçara/RN Receptor Solar Motor a vapor Heliostato Conclusões 65 Status no Brasil Sigla Chamada P&D Estratégico Título do Projeto Duração (meses) Custo do Projeto CESP 019/2015 Implantação de usina piloto por meio de integração da fonte de geração termosolar ao complexo de energias alternativas renováveis da UHE Porto Primavera (CESP) 48 R$ 49.551.102,00 CHESF 019/2015 CHESF Torre Solar Um 40 R$ 105.299.698,17 ELETROSUL 019/2015 Desenvolvimento de uma planta Heliotérmica dentro da área de usina hidrelétrica de Passo São João, no município de Roque Gonzales no Rio Grande do Sul 36 R$ 13.472.991,00 PETROBRÁS 019/2015 Estudo da Geração Heliotérmica Aplicada às Condições do Recurso Solar Brasileiro 48 R$ 56.600.000,00 TERMOPE 019/2015 Desenvolvimento de Tecnologia Nacional de Geração Heliotérmica de Energia Elétrica 36 R$ 36.770.849,55 Oficial Leilão A-3 /2013 6 propostas Nenhuma vencedora COMPLEXO Torre Central – CSP - 250 kW Armazenamento de Energia FV 2,5 MW FV Tecnologica CSP Trough 1MW PLANTA TECNOLÓGICA 0.5MWp CPV V-TROUGH Sistemas de 50 kWp RASTREADORES FIXOS-TECNOL ©GREEN – Av. Duque de Caxias Norte, 225 - USP – Pirassununga -SP, Brasil - CEP 13635-900 – Telefone +55(19) 3565-4364 Dr. Celso Oliveira Lins de Oliveira Obrigado! --.--.2017 © GREEN celsooli@usp.br
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