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Eletricidade Solar Térmica (STE), uma aposta ganhadora para Portugal?!

By IPES_admin2017 on 31 Março, 2014 in Sem categoria
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Eletricidade Solar Térmica (STE), uma aposta ganhadora para Portugal?! (Download)
por
Manuel Collares Pereira (IPES)

Produzir eletricidade com energia solar pode ser conseguido por duas vias principais: a conversão direta (processo quântico) da radiação solar (exemplo: o fotovoltaico-PV) ou a conversão pela via térmica, em que um fluido aquecido pela radiação solar é a fonte quente de um processo termodinâmico de conversão (STE).
Neste texto vamos falar desta última forma de conversão, também designada por CSP (Concentrated Solar Power) em alusão ao facto de as temperaturas elevadas necessárias a uma conversão termodinâmica mais eficiente, exigirem, do lado da captação da radiação solar, uma concentração elevada da mesma. A razão é a seguinte: se simplesmente captarmos a radiação solar sem a concentrarmos, dificilmente ultrapassamos temperaturas da ordem dos 100°C, o que nunca nos proporcionaria um rendimento termodinâmico suficientemente elevado para a produção de eletricidade. Felizmente que assim é, caso contrario não poderíamos andar pela praia descalços no Verão ou tocar, sem proteção, os objetos que se encontrassem expostos ao sol. Mas, ao concentrarmos a radiação solar sobre um absorvedor/recetor, estamos a permitir que seja absorvida por um corpo cuja superfície é menor que aquela que usámos como abertura captadora da radiação incidente. É menor, precisamente na proporção das respetivas áreas, proporção a que se chama precisamente “concentração” ((área de captação)/(área de absorção) = concentração). Ora as perdas de energia, ditas térmicas, que são responsáveis pela temperatura a que se consegue colocar um absorvedor, são proporcionais à área de absorção, isto é, agora substancialmente menores, por causa da concentração. É a experiência que todos temos quando iluminamos uma folha de papel com o sol através de uma lente (um concentrador poderoso), rapidamente atingindo temperaturas que acabam causando a queima do papel, quando este, antes, simplesmente exposto ao sol, nunca arderia.
O ciclo termodinâmico de conversão pode ser de vários tipos, dependendo das temperaturas e do fluido de conversão utilizado. O exemplo mais comum hoje é o da produção de vapor (com um fluido intermédio de extração de calor, ou diretamente no absorvedor do concentrador) que, expandido numa turbina, movimenta um gerador elétrico e produz eletricidade.
Existem várias tecnologias de concentração, sendo as três principais as que se apresentam na Fig. 1, em que ópticas com características distintas (Central de Torre, Fresnel Linear, Cilindro-Parabólico) concentram a radiação solar sobre absorvedores que podem ser assemblagens de tubos dispostos em longas filas, topo a topo, colocadas nas zonas focais de longos espelhos com uma geometria do tipo parabólico, ou um conjunto de tubos colocados no alto de uma torre, rodeada de um conjunto de espelhos individualmente refletindo a radiação para o topo da torre. Em todos os casos, estes espelhos movem-se acompanhando o movimento aparente do sol ao longo de cada dia.

Há uns anos atrás, ambas as tecnologias, STE e PV vinham a desenvolver-se ao seu ritmo próprio, no sentido de uma redução progressiva do custo do kWh produzido, mas com um sucesso diferente. O PV suscetível de ser usado em produção totalmente descentralizada ou centralizada de energia elétrica, em sistemas de pequena ou de grande dimensão, com grande versatilidade e facilidade, desenvolveu-se muito mais depressa. Estão hoje instalados, em todo o Mundo, mais de 120 GWe de potência pico, resultando em custos que hoje começam a atingir o que se designa por paridade com a rede, ao nível da distribuição, sobretudo no setor domestico e mesmo para utilizadores nos setores industriais e serviços [1]. O STE, que, na realidade, só faz sentido se considerado para produção centralizada, tem de ser competitivo ao nível da produção, onde a paridade com as tecnologias convencionais (produção a gás ou a carvão) impõe um custo de kWh produzido muito mais baixo.

Alguns países, de que é principal exemplo a Espanha, optaram por criar condições, mercado, para o desenvolvimento da STE, comprando a respetiva eletricidade a tarifas mais elevadas, por forma a rentabilizar os investimentos nas tecnologias em evolução. Estão assim instalados em Espanha, e em funcionamento, ~2.4 GW de sistemas STE (~3.5GW em todo o Mundo, neste momento). A Espanha, sobretudo em colaboração com a indústria alemã, apostou no desenvolvimento destas tecnologias e as respetivas empresas, Universidades e Centros de Investigação, são líderes a nível mundial nestas matérias, colocando-se agora em condições estratégicas para a exploração das próximas etapas e para a transferência destas tecnologias para outros países do Mundo.

PV versus STE

É isto que está a acontecer?

Não exatamente. Por duas razões: a primeira é circunstancial e relaciona-se com uma mudança abrupta da política energética espanhola nesta área, a pretexto da crise, que não vamos analisar neste documento, mas que está a criar enormes dificuldades aos investidores nas centrais espanholas; a segunda é uma questão de fundo que será objeto da análise neste documento.

A questão de fundo é a seguinte (ver Fig.2, ESTELA- European Solar Thermal Eletricity Association, Dr. Luis Crespo, Workshop, International Energy Agency, Paris, February, 2014):

– em Espanha, o valor (power purchase agreement) para o kWh produzido estava em torno de 25cent euro/kWh em 2009-2010.

– de então para cá o PV entrou numa redução de custo vertiginosa [1], que hoje já oferece valores equivalentes de 7-8 cent euro/kWh! E pode ainda baixar!

Pergunta: alguma vez o STE poderá competir? Vale a pena prosseguir com o seu desenvolvimento?

Esta pergunta influenciou a decisão política espanhola e é verdadeiramente pertinente.

A resposta que proponho é a que está novamente a ser proposta por muita gente, em particular a indústria do setor e decisores políticos de alguns países chave. Vale a pena!

Mas porquê? Para quê o STE?

Um primeiro argumento vai no sentido de se dizer que há ainda uma grande oportunidade de redução de custo das atuais tecnologias STE, como se procura mostrar na Fig. 2. Mas, tal como vimos, a capacidade instalada de PV é praticamente 100 vezes superior, o que não pode deixar de ter impacte sobre os valores já atingidos para o custo do kWh produzido. Isto é o STE precisa de mercado, para beneficiar como beneficiou o PV.

Felizmente que tem havido novos investimentos noutros países e é possível ver que valores praticados noutros países (USA, India, Israel, Africa do Sul, Marrocos) de centrais estão a ser feitas/operadas, hoje (2011-2013), uma vez corrigidos para serem suscetíveis de ser comparados, são já mais baixos, 15 e 18 cent.euro/kWh; um caso mais e muito recente: a central Ivanpah (392MW em três torres de 130MW) tem um ppa de 11 cent. dólar/kWh.

Fig. 2: ppa (power purchase agreement) em cent. euro/kWh até 2013 e extrapolação até 2020 em duas localizações de DNI diferente : 2100 kWh/m2 por ano (típica do sul da Península ibérica) e 2600 kWh/m2 por ano (típica da Califórnia).

Isto é, há um grande potencial para uma redução substancial de custo, com o desenvolvimento do mercado. O Programa SUNSHOT, do Department of Energy (DOE) americano, está a financiar I,D&D para se alcançar 0.06 cent.dollar/kWh, com STE e com PV, em 2020.

Mas, e mais importante, emerge uma nova realidade e que é a da possibilidade de armazenamento de energia térmica, a baixo custo, para uma total despachabilidade da energia produzida, até muitas horas depois do sol se pôr (há já sistemas instalados com 15 horas de armazenamento [por exemplo Torressol/Gemasolar, Andaluzia]).

Assim, o STE seria verdadeiramente complementar do PV: à medida que o PV vai diminuindo a sua produção, mesmo em dias de bom sol, com a aproximação do pôr-do-sol, veria a sua prestação a pouco e pouco substituída pela STE pelo período da noite, com energia captada e armazenada durante o dia.

Vários estudos [2] apontam para que o valor do kWh armazenado se situe entre 2.5 e 4 cent./kWh, o que coloca a fasquia do SUNSHOT entre os 9 e os 10 cent/kWh. Nota importante: os valores da Fig. 2 já são tipicamente com um numero mínimo de horas de armazenamento da ordem de 7.

Portugal e o STE

A pergunta é esta: devemos esperar que o STE se desenvolva noutros países e depois decidimos pela sua adoção no nosso país?

A resposta é claramente “NÃO devemos esperar!”

É possível demonstrar que um programa de desenvolvimento bem estruturado e funcional terá benefícios muito acima dos custos (algum tipo de ppa, ou apoio ao investimento inicial, e/ou isenções fiscais ou outras para os promotores, etc.).

– um programa de STE é gerador de atividade económica alguns anos antes de começar a ter os seus custos, por exemplo ao nível de um programa de ppa; nos U.S. o impacte do programa SUNSHOT sobre a geração de emprego tem sido notável[1].

– o conteúdo de engenharia e componentes à escala local – e a sua consequente contribuição para o PIB – é uma realidade diferenciadora destas tecnologias.

– a experiencia das empresas portuguesas que se criem ou que venham a participar fica demonstrada em casa e esse é um passo essencial para a exportação.

-Portugal tem DNI a níveis iguais ou superiores aos do sul de Espanha (são mesmo os mais elevados da Europa) e um conjunto grande de empresas (ver, por exemplo, os Associados do IPES) com capacidade para desenvolverem o setor; Portugal está integrado em todas as redes europeias de ID nesta área e está a montar na Universidade de Évora uma Infraestrutura de Investigação (RI) que será suportada por fundos geridos pela FCT, numa proposta que teve a classificação máxima entre todas as propostas de (RI) recebidas pela FCT;

O que nos está então a faltar?

Um programa claro, com objetivos e meios, que dê os sinais corretos, à indústria e aos demais atores.

O IPES está disponível para colaborar na definição desse programa.

 

Évora, Março, 2014

[1] – Manuel Collares Pereira, Energia solar e a transformação do consumidor em consumidor/produtor de energia eléctrica, IPES, 2013

[2]- Jennie Jorgenson, Paul Denholm, Mark Mehos, and Craig Turchi, Estimating the Performance and Economic Value of Multiple Concentrating Solar Power Technologies in a Production Cost Model, NREL, 2013


[1] De acordo com a “ Solar Foundation’s National Solar Jobs Census 2013, solar now employs 142,698 American workers at 18,000 locations in all 50 states, and the industry continues to create jobs at a faster pace than the overall economy. The latest numbers show that solar jobs are growing more than 10 times faster than jobs in other sectors of the nation’s overall economy”.

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