Sal Fundido – Usinas de Torres ou de Calhas Parabólicas de Energia Solar Concentrada (Concentrated Solar Power Tower – CSP) concentram raios solares no top de uma torre ou em calhas, super aquecendo sal em estado líquido que forma vapor-d’gua para mover turbinas e geradores produzindo energia elétrica
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Como temos mostrado em outros artigos anteriores, o uso de sal fundido como elemento de coleta e estocagem de energia solar térmica em usinas CSP (tanto torres como calhas parabólicas) tem impulsionado o setor de energia solar concentrada.
Na realidade, o armazenamento de energia (calor) contido no sal fundido em uma usina CSP de geração de eletricidade permite que a mesma funciona continuadamente 24 horas/dia.
Uma usina de torre CSP utiliza centenas de milhares de espelhos rotatórios controlados por computadores chamados helióstatos.
Os helióstatos têm um sistema automático que permite que os espelhos estejam sempre voltados direto para o sol girando e acompanhado o sol de frente: do amanhecer ao anoitecer enquanto tiver radiação solar.
No top da torre há um receptor-trocador de calor que super aquece o liquido condutor ou sal fundido (uma mistura de sais em estado líquido) que circula calor no sistema movendo turbinas-geradores. O sal fundido pode atingir temperaturas muito altas sem se tornar vapor.
Sendo assim o calor contido no sal derretido vaporiza a água (forma vapor super aquecido) que gira turbinas que movem geradores convencionais produzindo eletricidade. O processo é o mesmo que acontece com o vapor aquecido em usinas a gás, carvão ou nuclear o qual move turbinas que também geram eletricidade.
Os helióstatos ficam sempre refletindo e concentrando radiação solar focalizando no receptador na parte superior da torre super aquecendo o sal derretido. Esta concentração corresponde a centenas de sois focalizados em um ponto.
Em outras palavras, CSPTs usam como elemento de absorção e retenção de calor sal fundido (liquido condutor). Este liquido é uma mistura de dois sais composto de 60 por cento de nitrato de sódio e 40 % do nitrato de potássio.
A mistura liquidifica-se a 220 º C e é mantido em estado liquido acima de 290º C no “tanque de armazenamento esfriado”. No estado líquido o sal fundido pode atingir temperaturas acima de 700 º C ou mais sem o perigo de se tornar vapor.
Deste modo, o sal fundido absorve a energia solar depois que a mesma é direcionada para um ponto de foco na torre, rodeada por um campo de espelhos ou helióstatos que concentram a energia do sol. Por causa de seu alto ponto de fusão, sal fundido tem uma grande capacidade para absorver e armazenar calor antes que o material começa a evaporar.
Como uma Usina CSP Usa Sal Fundido?
O sal em estado líquido é bombeado do “tanque de armazenamento esfriado” até o receptor de calor no top da torre ou das calhas CSP. Ao circular na parte superior da torre ou da calha o sal é aquecido a 565 º C indo em seguida para os tanques armazenadores de sal liquido superaquecido. Nesta tanque o liquido fica estocado armazenando calor ou vai alimentar as turbinas do sistema.
Quando as turbinas precisam de calor, o liquido condutor é bombeado para os vaporizadores que produzem vapor superaquecido que se expandem e vão movimentar as turbinas-geradores de produção de eletricidade.
Após circular nas turbinas geradores de vapor, e trocar-liberar calor, o sal fundido “esfriado” volta para os tanques de “estocagem esfriado” onde fica armazenado até ser novamente bombeado e reaquecido no top da torre ou das calhas. E ai começa tudo novamente.
Para que a central-usina CSPT continue produzindo eletricidade continuadamente, o liquido condutor é termicamente armazenado (os tanques sao revestidos de isolantes térmicos) durante períodos nublados ou à noite. Isto permite a usina CSPT operar 24 horas por dia..
O dimensionamento dos tanques de estocagem e retenção de calor é um fator super importante no dimensionamento das usinas CSPTs. Os tanques de alta temperatura se bem isolados podem estocar o liquido condutor por até 13 horas ou um pouco mais.
Sal Fundido – Armazenamento de Energia Integrados aos Sistemas Produtores de Eletricidade
Normalmente quando se fala sobre armazenamento de energia vemos que na maioria dos casos, os sistemas de estocagem são separados dos sistemas de geração de energia, não importando se no armazenamento, a eletricidade é gerada via solar, eólica, óleo fóssil ou alguma outra forma. Mas no caso do sal fundido ou derretido a coisa é diferente.
O sal derretido é utilizado para coletar energia em sistemas de geração de eletricidade via energia solar térmica concentrada, mas devidos as suas características únicas o sal também atua como um meio de armazenamento que permite que os sistemas CSP tenham a capacidade de continuar operando mesmo após que o sol se pôs ou dias nublados.
O sal fundido permite que uma fonte de energia renovável seja operado de forma muito mais constante e proporcionando um fornecimento contínuo e confiável de eletricidade para aqueles que precisam, quando precisam que é o objetivo final de todos estes sistemas.
Como vimos, sal fundido absorve a energia solar depois que a mesma é direcionada para um ponto de foco em uma torre, rodeada por um campo de espelhos ou helióstatos que concentram a energia do sol. Por causa de seu alto ponto de fusão, sal fundido tem uma grande capacidade para absorver e armazenar calor antes que o material começa a evaporar.
Mantendo o sal fundido em tanques de armazenamento termicamente isolados, é possível manter o sal em uma temperatura elevada durante todo o ciclo de alimentação,
Outro fator importante é que sistemas que usam sal fundidos para coletar e armazenar color não dependem de mudança de fase do material para ser feita a transferência de calor (como a água que precisa ser transformada em vapor em sistemas que podem variar dos que queimam carvão, reatores nucleares até usinas de concentração solares).
Embora temos de levar em conta que a transferência de calor secundário de sal fundido ainda é usado para ferver água e mover as turbinas que geram eletricidade.
Sal Fundido – Mais Seguro, Mais Fácil de lidar e Capaz de Fazer Usinas CSP Operarem Continuadamente
Nos usinas CSP há pouca pressão de vapor nas tubulações, o que torna mais seguro e mais fácil de lidar com a circulação do material em estado liquido no sistema. No entanto, manter o sal sem se solidificar à noite (acima de 290º C) é uma das preocupações que esses sistemas têm de lidar constantemente.
Como o sal fundido pode ser mantido a altas temperaturas (acima de 400 graus C), o mesmo pode facilmente transferir o calor para vaporizar água (criar vapor super aquecido) para gerar eletricidade. E, atingindo estas temperaturas extremamente altas, o sal armazena grande quantidade de energia térmica que persiste por muitas horas dentro de tanques isolados de armazenamento.
Outra vantagem é que os sais usados atualmente em plantas de sal fundido são uma mistura de sódio e nitrato de potássio amplamente utilizados como fertilizantes, eles não são particularmente perigosos no caso de acontecer acidentalmente uma ruptura ou vazamento no sistema.
Usando sistemas de sal fundido de alta temperatura permite que uma usina de energia solar concentrado opere por longos períodos de tempo sem interrupções. Isto faz com a usina CSP seja usada como uma planta de poder de carga de base, em vez de agir como uma usina de energia intermitente.
Deferentemente de sistemas CPSs com estocagem, as usinas de energia intermitente têm produção imprevisível e variada como acontece com os sistemas fotovoltaicos ou CSP sem armazenamento de calor.
Para fins de geração de energia, essa confiabilidade é importante para equilibrar as necessidades dos consumidores de energia com a eletricidade disponível que está sendo gerada.
Um das desafios da geração de energia com painel fotovoltaico é que a produção pode variar amplamente dependendo se os painéis estão ou não sendo iluminados diretamente pelo sol, ou indiretamente sob condições nubladas.
Entretanto, com o sistema de energia solar concentrado com armazenamento, a variabilidade é problema menor porque a temperatura do sal fundido permanecerá muito alta, mesmo que passe uma nuvem no céu por um curto tempo.
E mesmo em períodos nubladas há um fornecimento de uma grande quantidade de energia solar que pode ser facilmente amplificada pelos espelhos concentradores.
Além dos benefícios de armazenamento de energia que o sal fundido fornece, ele também faz uma usina CSPT mais eficiente por ser capaz de absorver mais energia do que outros materiais de transferência e coleta.
As torres de usinas CSPT são mais adequadas para aplicações em larga escala entre 30-800 Megawatts. Para você ter uma ideia, a pioneira usina hidroelétrica de Paulo Afonso I, em Paulo Afonso no Rio São Francisco tem uma capacidade de 180 Megawatts, isto é, quando tem água suficiente no Velho Chico (rio) para movimentar todas suas turbinas. Nos períodos de grandes secas como aconteceu recentemente esta capacidade chega a baixar para 30% ou menos.
Usinas CSPs pilotos usando sal fundido foram testadas e operadas desde a década de 1990. Hoje temos algumas operando e várias em construção em várias partes do mundo.
A usina Solana, a maior usina CSP de calhas do mundo, foi instalada no deserto do Arizona nos EUA. Esta usina CSP de 250 Megawatts usando 900.000 calhas parabólicas e sal fundido para estocagem de energia tem um custo estimado de 2 bilhões de dólares pode produzir energia para abastecer com eletricidade cerca de 70.000 mil residencias.
O uso de sal fundido e a descoberta de outros sais que possas atingir temperaturas acima de 1000 graus C é uma linha de pesquisa e desenvolvimento que temos trabalhado desde algum tempo.
Sem dúvida alguma a aplicação do sal fundido e suas diversas misturas para armazenar energia solar têm criando uma nova era e horizonte na consolidação de usinas CSP em suas várias modalidades como um concreta tecnologia do uso de energia solar na produção de eletricidade limpa e renovável em larga escala.
