Características e Potencialidade da Geração Termo Solar. Paulo Costa Siemens Ltda

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1 Características e Potencialidade da Geração Termo Solar Paulo Costa Siemens Ltda

2 Objetivo Apresentar informações básicas sobre o mercado de usinas termo-solares Ajudar a entender as diferentes tecnologias disponíveis usinas termo-solares Apresentar detalhes dos escopos de fornecimento possíveis para plantas de geração de energia solar Apresentar os detalhes de projetos de usinas termo-solares

3 A Melhor Aplicação Solar Depende Da Região Fotovoltaicas Temperatura Irradiação Area Ocupada (1) Silica Cristalina Baixa Difusa e Direta Moderada Filme Fino Media a Alta Difusa e Direta Grande CPV Alta Direta Pequena Termo Solares Alta Direta Moderada 1) Diretamente relacionada com o projeto

4 Níveis De Radiação Na America Latina

5 Irradiação Solar: diferenças entre a CSP e a FV A irradiação total que atinge a superfície da Terra é a Irradiação Global. Ela consiste de diferentes tipos de irradiação: Irradiação Global Horizontal (GHI) é toda irradiação que atinge a superfície, em qualquer ângulo. Consiste de irradiação direta e difusa. Irradiação Direta é a irradiação que vem diretamente do Sol, considerando o ângulo de incidência entre o Sol e a superfície terrestre. Irradiação Difusa é aquela que se apresenta dispersa, por atravessar por exemplo a humidade na atmosfera, ou camadas de poeira. Também pode ser refletida por nuvens ou superficies liquidas ou gelo. DNI GHI Difusa Irradiação Direta Normal (DNI) é a irradiação direta que incide na superficie terrestre com um angulo de exatos 90. Usinas Termo Solares utilizam DNI, uma vez que os coletores são dotados de rastreadores e seguem a trajetória do Sol. Irradiação difusa não pode ser usada por não poder ser concentrada.

6 Energia Solar: Tecnologias Distintas, CSP e FV Termo Solar (CSP) Fotovoltaica (FV) Tecnologia: Lentes ou espelhos com rastreamento, focando a energia solar em tubos, aquecendo fluidos térmicos, que acionam turbina a vapor Aplicações: Espelhos parabólicos Torres Solares Fresnel Disco parabólico 1) 1) Sem fluido termico e sem turbina a vapor Tecnologia: Conjunto de módulos fotovoltaicos (material sensível à luz) que converte a energia luminosa em eletricidade (DC) Aplicações: Módulos de silício mono e poli cristalino Filme fino fotovoltaico 3 ra geração FV (concentradora CPV, novos materiais...)

7 Quatro Principais Tecnologias de Geração Termo Solar Espelhos Parabólicos Fresnel Linear Torre Solar Disco Parabólico (Stirling) Usa um espelho parabólico linear que concentra a luz solar em um tubo (também chamado de "receptor") O receptor contém um fluido (óleo, sal fundido) O fluido aquecido gera vapor de água através de um permutador de calor (caldeira) que aciona uma turbina Sistema de dois ciclos Utiliza uma série de espelhos longos, estreito, curvos ou planos, A luz solar é concentrada em um receptor linear posicionada acima dos espelhos usando também um espelho secundário O vapor gerado aciona uma turbina a vapor Sistema de dois ciclos Utiliza uma malha de espelhos planos, móveis (também chamado heliostatos) A luz solar é focada pelos espelhos sobre um único ponto na torre Um receptor aquece o fluido térmico (óleos especiais, sal fundido) que gera vapor e aciona uma turbina Sistema de dois ciclos Usa um disco parabólico (semelhante a um receptor de satélite) Concentra toda a luz solar em um foco onde fica o receptor Um motor de combustão (do tipo Stirling ) converte o calor em energia cinética e impulsiona um gerador elétrico Sistema de um único ciclo

8 Tecnologias Solares: Pontos Positivos E Negativos Espelhos Parabólicos Tecnologia madura e confirmada no campo com mais de 30 anos de referencias Tecnologia muito financiável Elevado CAPEX para otimizar as receitas para o investidor Fresnel Linear Baixa complexidade Espelhos planos mais baratos do que calha parabólica Menor área do que calha parabólica (menos espaço entre as linhas) Menor eficiência do que calha devido à menor temperatura Torre Solar Mais eficiente do que a calha parabólica devido às maiores temperaturas de operação Tecnologia com limitadas referencias Limitação de potencia por torre (MW) Disco Parabólico (Stirling) É o sistema de maior eficiência na conversão solar x elétrico O sistema modular Alta Complexidade Manutenção intensiva Poucas referencias

9 Condições Principais da Geração Termo Solar Requisitos da Fonte Fotovoltaica Termo Solar Recursos Solares Recurso Utilizado Irradiação Global Horizontal (GHI) Irradiação Direta Normal (DNI) Requisitos Locais Formato e inclinação da Área Área Necessidade de Água Ventos Extremos Inclinação da área aceitável (máx recomendado), formato da área irrelevante Aproximadamente 1 a 2 ha por MWp instalado Muito pouca, somente para limpeza Sistema normalmente projetado para suportar ventos até 140 km/h 1) CSP podem também operar com resfriamento a ar e nesse caso nenhuma água é requerida para resfriamento Fonte: Estudos feitos na Tunísia pela consultoria Lahmeyer International GmbH, 2009 Área muito plana (inclinação < 2 aceitável), preferivelmente retangular Aproximadamente 2 ha por MW (5 ha por MW com armazenagem) Necessária para resfriamento: aproximadamente 5 litros por kwh 1) + limpeza dos espelhos Acima de 50 km/h, os coletores assumem a posição de repouso, onde podem resistir até 130 km/h)

10 Armazenagem De Energia nas Usinas Termo Solares Geração de Energia Fotovoltaica Termo Solar Armazenagem de Energia Combinação com plantas de geração convencional Despacho, produção ativa de energia Perfil da produção de energia Não é economicamente viável em grandes potencias Não A geração de energia depende diretamente da irradiação solar. Nuvens podem derrubar a produção de energia de imediato Potencia máxima em torno do meio dia Até 8 h (podendo teoricamente cobrir até 12 horas) Sim Através de armazenagem térmica a geração de energia pode ser estabilizada e durante a passagens de nuvens a produção de energia pode ser controlada Geração máxima pode ser estendida para o período noturno Fonte: Estudos feitos na Tunísia pela consultoria Lahmeyer International GmbH, 2009

11 Espelhos Parabólicos: Tecnologia Comprovada Tecnologia Sistema de dois ciclos (óleo/condensado) Parâmetros do vapor (380 C / 100 bar c/htf) Porque a Calha Parabólica? É a tecnologia mais madura, mais de 3 GW em operação Usinas operando há mais de 30 anos Usinas com tamanhos até 250 MW podem ser construídas como unidades únicas Fácil integração com a estocagem térmica, despacho de energia quando necessário Possível combinação com outras plantas de geração (fóssil ou biomassa por exemplo) formando plantas hibridas Boa modularidade de coletores Limites Um eixo de rastreamento (Este - Oeste) Limitação na temperatura do óleo (<400 C para óleo térmico) Consumo de água nas torres de resfriamento e na limpeza dos espelhos. Alternativa com ACC reduz a eficiência da planta Requer uma inclinação máxima de 2% na área

12 Usinas CASP se Concentravam nos EUA e Espanha Cenário das Usinas com Espelhos Parabolicos 2) Status: Dez/2010 Madrid São Francisco Las Vegas Sevilla Los Angeles 1) Com inicio de operação planejado para 2011/inicio ) Mais detalhes e Fonte: Credit Suisse Equity Research 2009, nrel.gov Usinas em Operação Usinas em Construção 1) Usinas em Implantação

13 O Mercado CSP está se Movendo Mercados CSP (novas usinas) entre e expectativa para 2020, em MW 1) Espanha USA Israel China Mexico India Chile Brasil? Australia Africa do Sul Outros Paises = 1000 MW/a Volume do mercado (novas usinas Mercado Total Esperado (novas usinas ) Mercado (EPC) em Megawatt por ano, incluindo calhas parabolicas, fresnel e torres solares. Fonte : ER BD

14 Muitos Fornecedores no Mercado Mundial Termo Solar Receptor Espelhos Campos Solares Trocadores de Calor Turbinas a Vapor EPC Desenvolvedores de projetos Operadores Archimede Schott Flabeg Rioglass Saint Gobain Abengoa Solare XXI 1) Sopogy Solargenix Energy 2) Múltiplos participantes do mercado com diferentes focos Alguns participantes podem ter diferentes funções num mesmo projeto Sener Flagsol 3) Siemens Alstom Abener 4) Abengoa Doosan Skoda Franco Tosi Acciona ACS / Cobra Fuji Electric Bechtel Cogentrix GE CH2M Hill CS Energy HTC Elecnor MAN MHI Fluor Endesa ENEL Toshiba E.ON ERM Power FCC ESKOM Fotowatio 5) FPL NexEra 6) FPL Iberinco 7) Iberdrola Ibereòlica Lauren Engin. Masdar Lockheed Martin Next Light OHL NV Energy Samca PG&E Sargent & Lundy RWE Sener Solar Millennium Flagsol 3) Sorgenia TechInt Group Starwood Energy Group SCE Tecnicas Reunidas Worley Parsons

15 Analises para Implantação de uma Usina Termo Solar Devido ao numero de fatores envolvidos, cada projeto deve ser analisado separadamente Local Topografia Temperatura Local Irradiação Condições de Despacho Latitude Água Rede Estrutura do Financiamento Preço Terra Incentivos Taxas de Juros Prazo Depreciação Equity Preços PPA Avaliação Técnica: Tecnologia, Tipo da Térmica, Campo Solar, Produção de energia BUSINESS CASE Avaliação Financeira LCOE, TIR, NPV, Tarifa Muitos fatores influenciam na decisão e a melhor solução técnica. Alguns fatores mudam rapidamente (incentivos, eficiências, novas tecnologias...) e isso pode ser a diferença entre a escolha por uma ou outra solução

16 O que Considerar na Instalação uma Usina Termo Solar? Irradiação Solar? Topografia da área selecionada? Requisito Anual de Energia Térmica? Com ou sem Armazenagem Térmica? Combustível complementar é necessário? Há limitações de incentivos? CSP isolada ou Solução Hibrida? Qual é o tamanho efetivo (MW) requerido? Disponibilidade de Água? Requisitos Ambientais aplicáveis? Viabilidade de rotas de acesso? Conexão à rede existente? Tabelas de Irradiação direta normal (DNI). Medições do local desejáveis mas não imprescindíveis Ideal até 0.5% de inclinação. Maximo de 2º (limitação devido ao custo das obras civis) Requerido para calcular o campo solar exato Importante para definir o numero de horas de operação e disponibilidade da planta Relevante para definir o conceito de operação da usina Exemplo, limitações a módulos de 30MW Relevante para dimensionamento do campo solar, da engenharia do HTF e do conceito de operação Define o tamanho do campo solar e por extensão a área ocupada. Relevante para definir o sistema de resfriamento da usina e sistema de limpeza dos espelhos Definir requisitos (legais, ambientais e outros...) Estradas, pontes, acessos e áreas de descarga de equipamentos pesados Infraestrutura, normas de conexão, distancias, tensões

17 Componentes de Uma Planta Termo Solar Campo Solar (SF) Sistema de Fluido Térmico (HTF) Ilha de Potencia (PB) Balanço da Planta (BOP)

18 Lay Out Típico de Uma Usina Termo Solar Para uma usina de 50 MW O Campo Solar é normalmente dividido em quatro quadrantes Área de 1,362,500 m² Q1 Q2 Orientação dos Loops: Norte 1, 295m Espaço entre cada linha de 16,25 m, com 20 m entre cada quadrante Q3 Área de Ilha de Potencia Q4 1,090m

19 Lay Out Típico de Uma Usina Termo Solar Componentes BoP Componentes Ilha de Potencia Componentes HTF

20 Usina Termo Solar Kramer Junction, California, EUA SEGS 3 SEGS 5 SEGS 4 SEGS 6 Kramer Junction é uma usina solar de 150MW, com 5 campos solares, parte das 9 usinas do complexo SEGS (Solar Electric Generating System ) que gera 354MW, uma das maiores plantas solares em operação comercial do mundo. SEGS 7

21 Componentes de Uma Usina Termo Solar Armazenamento (opcional)

22 Campo Solar: O Coletor Da Energia Do Sol É o fornecedor da energia para a usina (coleta a energia solar) Um Campo Solar de 50 MW pode ter cerca de 100 loops (dependendo do local irradiação, armazenamento.. Um loop consiste de 6 conjuntos de coletores (SCAs). Cada SCA é composto por 8 coletores e cada coletor possui 3 tubos receptores Circulando o óleo térmico nos tubos receptores, a usina adquire a energia térmica que é utilizada para a produção de vapor que posteriormente é usado para acionar a turbina a vapor. Storage solution (optional) Cada SCA é controlado localmente, por uma unidade (LOCs) que continuamente mede a temperatura e rastreia o deslocamento do sol de forma independente. O controlador do campo solar supervisiona todos os LOCs e envia as informações com o controle central da usina.

23 Exemplo Projeto Lebrija (Espanha) 50 MW Perfil do Projeto Capacidade Nominal de 50 MW Tecnologia de Espelhos Parabólicos Produção Anual de MW 126 Loops, m² Transferência térmica por óleo sintético Construção modular (montagem em área próxima ao site) e instalação no campo 4 meses montagem do campo solar Intensa localização dos componentes da usina Construída pela Siemens + Valoriza

24 Parábolas na Posição Desligamento do Campo Solar

25 Parábolas na Posição de Geração Plena

26 Detalhes do Campo e Receptor Solar

27 Sistema de Óleo Térmico: Converte energia térmica em vapor Armazenamento (opcional) Sistema complexo de tanques, tubulações, bombas e válvulas é o coração do processo de circulação e controle do HTF O fluxo do HTF é constantemente monitorado e automaticamente controlado pelo sistema de controle do campo solar. Uma solução armazenagem de energia (através de óleo e sal fundido) pode ser usada para estender a operação da usina em até algumas horas depois do por do sol. O HTF aquecido troca o calor com a caldeira que transforma a energia térmica em vapor de alta pressão que aciona a turbina a vapor.

28 Sistema de Transferência de Energia com Óleo Térmico Um complexo e integrado sistema de vasos, tubulações, bombas e válvulas é o coração do processo de circulação, controle e monitoramento do fluido HTF Sistema pressurizado com nitrogênio para evitar riscos de incêndio, mantendo a operação segura, com mínimas perdas e máximo desempenho Siemens AG; taken at Abengoa Solar, S. A. Infraestrutura de Fluido Térmico O Óleo Térmico Therminol VP1 Absorve energia térmica enquanto circula pelo campo solar Fluido térmico de duas fases composto por 26,5% de difenil +73,5% de óxido de difenil (C 12 H 10 O) Material estável e adequado para longos períodos de funcionamento com temperaturas até 400A C Fluido vaporiza a temperaturas acima de 257 C Solidifica a temperaturas abaixo de 12 C Deve sempre ser mantidos quente (acima de 50 C) e pressurizado (+/- 11 bar a ) Quantidade utilizada numa planta de 50 MW (sem armazenamento): +/ m ³ (equivalente à metade de uma piscina olímpica)

29 Sistema de Fluido Térmico

30 Sistema de Fluido Térmico

31 A Ilha de Força: a Geração Elétrica da Usina A Ilha de Força é a unidade de geração elétrica da Usina Basicamente é composta pela turbina a vapor, gerador e demais equipamentos requeridos para a operação da usina, como o ciclo Storage solution (optional) água/vapor, tratamento de água, torres de resfriamento, sistemas elétricos e de controle, etc. A operação da Ilha de Força é controlada pelo Sistema Central de Controle da Usina.

32 Montagem do Turbo Gerador Condensador LP-Turbina Gerador Redutor HP-Turbina Sistemas Auxiliares

33 Montagem da Ilha de Força

34 Detalhes da Ilha De Força

35 Possível Cronograma de Implantação Possibilidade de redução de prazo?

36 Grato pela Atenção! Paulo Costa