Novos modelos de usinas solares

Percebi durante minhas (breves) férias que o pessoal curtiu aquele post sobre a usina solar com milhares de espelhos. Então resolvi tratar um pouco em mais detalhes desse assunto de usina solar, até porque o Calcanhar de Aquiles das sociedades modernas na era da informação é a disponibilidade de energia. Veja, estamos em plena era do átomo, visitamos outros planetas com nossas sondas e planejamos bases em Marte, mas se você arrancar os plugs das tomadas, o sonho acaba NA HORA.

Basta cortar a energia para a sua internet de alta velocidade que te leva um universo de conhecimentos ir para o saco e você começar a contemplar uma sensação de primitivismo que chega a ser assustadora.

A energia está em todos os lugares e ela anima todas as coisas, até você, uma vez que se pararmos para pensar naquela frase popular, que diz: “Saco vazio não para em pé” – notaremos que é a mais pura e límpida verdade.

 

IRAQI FREEDOM

Acostumamos a pensar em “Energia” como  somente a energia elétrica, que liga máquinas e equipamentos. Muitas pessoas nem sequer se dão conta de que o Petróleo é também uma fonte líquida de energia, a dependência energética desse produto é o que está por trás de guerras conflitos, mortes e até genocídios. Da mesma maneira, o Gás, seja de que fonte for, sintética ou natural, do xisto ou de reservas profundas,  é o que desencadeia complexas e fatais relações de poder entre países e grupos organizados.

 

NIkola Tesla o inventor audacioso e visionário que ousou sonhar em dar energia gratis para todo o planeta. Foi sabotado pelos próprios financiadores, magnatas da energia, que não estavam dispostos a perder a "boquinha"
Nikola Tesla, o inventor audacioso e visionário que ousou sonhar em dar energia grátis para todo o planeta. Foi sabotado pelos próprios financiadores, magnatas da energia, que não estavam dispostos a perder a “boquinha”

Mas de fato, a energia elétrica é um fator fundamental para o desenvolvimento de um país. Sem ela, a qualidade de vida piora tremendamente. É a energia elétrica que liga e ativa motores, que por sua vez substituem pessoas e a força animal na fabricação do que quer que seja. Com energia cara (que é nosso caso) um país cresce menos, a indústria precisa repassar mais custo ao consumidor e produtos tendem a ficar mais caros. As pessoas com menos grana começam a racionar, evitam comprar, e já viu. A roda do avanço começa gradualmente a girar para trás.

Pior ainda é a falta de estabilidade energética. Apagões ou alterações climáticas que afetam toda a situação energética de uma nação faz com que ela seja vista como um lugar de instabilidade, e claro, ninguém vai querer colocar suas economias num país instável.

A verdade é que damos muito valor a energia, mas quando ela é desligada que percebemos nossa brutal dependência deste valioso recurso que mudou o mundo.

Vivemos dominados por três sombras tenebrosas que se intercalam, trazendo a morte e a destruição:

  • Conflitos ideológicos
  • Conflitos religiosos
  • Conflitos por recursos

Os dois primeiros são bem óbvios, mas os conflitos por recursos são de longe os mais antigos. Disputas por fontes de água, por território, por madeira, por plantações e comida… Há um numero expressivo de demandas neste nosso planeta limitado.

Entre os conflitos por recursos, a busca de fontes energéticas talvez seja a mais solucionável, e por estranho que pareça, é uma das sombras tenebrosas que mais gera conflitos armados na Terra.  (Veja por exemplo, aquele rolo da Síria – onde o que está por trás de todas guerras mortes e conflitos entre rebeldes e governo, armas químicas e crianças mortas são as tubulações de gás do Irã e interesses externos como EUA, Inglaterra, Russia e companhia)

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Já houve um tempo, em que dominava o planeta o país que soubesse fazer navios transcontinentais, como as caravelas de Américo Vespúcio, Colombo e Pedro Álvares Cabral.  Hoje, domina o planeta o país que conseguir inovar, criar e produzir em larga escala, com baixo custo, mantendo grande qualidade e construindo tecnologia de ponta. O conceito de sucesso não está mais em buscar suas necessidades das colônias, mas sim os países que se saem melhor na balança comercial, onde comprar e vender impactarão diretamente na vida das suas populações. Assim, os países desenvolvidos tendem a buscar cada vez mais otimizar suas dependências externas. E a grande maioria dos países é gravemente dependente de energia, o que por sua vez, é algo que faz a festa de países como os caras da Opep, que construíram impérios na exploração das reservas de petróleo.

É claro que muitos países já perceberam que não é muito esperto depender da energia de outro país, sobretudo quando as oscilações no valor desse produto são flutuantes e afetados por diversas questões extrínsecas à sua extração. Por exemplo, os árabes podem entender que precisam subir o valor do barril de petróleo e simplesmente sobem o preço em conjunto. Isso afeta todo o mundo que precisa comprar deles.

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Logicamente estou falando muito simplificadamente da dinâmica geopolítica no que trata da questão energética. Isso é tema para inúmeros tratados, livros, teses… Que não é, claro, o objetivo do meu blog. O meu objetivo é mostrar coisas legais e falando em energia, aqui está uma coisa realmente legal!

As usinas solares tiram proveito de uma fonte de energia que é praticamente perene, dá o ano todo, todos os dias do ano: O Sol.  Um dia, é claro, o sol vai acabar, mas antes disso já teremos sido varridos do mapa espacial.

Todos os países capazes de obter energia do sol deveriam fazer isso. É verdade que não se trata de algo corriqueiro, simples e muito menos barato. Nem todos os países estão numa posição de vantagem com relação ao volume de incidência de energia solar. Países mais perto dos pólos recebem menos luz que os do equador.

Mas o sol tem uma vantagem que é sensacional: Ele é grátis! A energia que sai da nossa estrela e viaja pelo vácuo na velocidade da luz até chegar na Terra oito minutos depois que saiu de lá, não é cobrada, não é tarifada, não paga imposto e nem está na mão de um ditador-zé ruela-boçal.

Uma vez que a infraestrutura, que é o mais caro está equacionada, a geração de energia começa imediatamente e só para se o ser humano assim desejar. Durante muitos anos, pensaram em usinas solares como áreas repletas de painéis solares fotovoltaicos, esses que hoje são usados para cobrir telhados de fazenda e alimentar de energia lugares distantes das centrais elétricas e serviços municipais.

As primeiras usinas solares usavam painéis fotovoltaicos
As primeiras usinas solares usavam painéis fotovoltaicos

Esses painéis solares são sistemas complexos, com eficiência bastante baixa que pega a luz e converte ela em energia, que após ser gerada precisará ser acumulada.

Não me entenda mal: Eu acho os painéis solares uma invenção maneira. funcionam relativamente bem e vem baixando de preço à medida em que são cada vez mais adotados. Os painéis solares precisam receber a luz do sol diretamente para que converta essa luz em energia por processos fotovoltaicos.

Ainda hoje muitas usinas baseadas em painéis fotovoltaicos estão em atividade
Ainda hoje muitas usinas solares baseadas em painéis fotovoltaicos estão em atividade

 

Assim, é claro, se ficar um mês chovendo direto, vai bater menos luz no painel e a taxa de conversão de luz em energia será reduzida. O painel solar também é caro e complexo de fabricar, por ser um sanduíche de vidro com componentes complexos e montagem muito mais complicada ainda.  Mas eles funcionam muito bem nos satélites, por exemplo, que não tem problemas com nuvens ou camadas grossas de sujeira. Por sua própria natureza, o painel solar tem baixa eficiência, devolvendo na forma de reflexão grande parte da energia que incide nele. Só uma pequena parcela dessa energia é convertida em energia elétrica, o que torna este processo muito dispendioso, pois para crescer a produtividade é preciso cobrir áreas cada vez mais vastas – o que sobe também o custo de compra dos painéis e obviamente de terreno.  Hoje há vários estudos e projetos de novos painéis solares cada vez mais energéticos, mas ainda assim eles tem um custo por watt calculado como dez vezes maior que o dos combustíveis fósseis.

Mas com o tempo, outras soluções para usinas solares foram surgindo, buscando reverter o balanço do alto custo de produção dos painéis fotovoltaicos e maximizar a utilização do fator solar. Quem diria que uma das grandes soluções não viria da tecnologia de ponta, mas do invento de um gênio da Grécia antiga, chamado Arquimedes.

 

Arquimedes, o foda
Arquimedes, o foda

O cara viveu em cerca de 280 anos antes de Cristo, e criou/descobriu um volume colossal de coisas. Considerado o maior matemático da Antiguidade, Arquimedes teria inventado uma arma capaz de destruir, com a força do sol uma esquadra inteira de navios inimigos. Experimentos modernos testaram as alegações de que, para defender sua cidade, Arquimedes projetou uma máquina chamada de “Raio de calor de Arquimedes”. Essa arma era formada por um conjunto parabólico de espelhos de bronze super polidos, que captariam energia do sol e a concentrariam na direção de um alvo literalmente incendiando-o instantaneamente. Não está claro se a arma foi realmente feita ou só conceitualmente criada. Mas se funcionava, parece que sim.

Entender como opera a arma de raios da Grécia antiga  é simples. É baseado nessa arma do Arquimedes que fizeram a churrasqueira solar. Conhece?

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Essa churrasqueira nada mais é que uma plataforma de espelhos montados em uma disposição parabólica (exatamente como a antena parabólica) que dirigem todos os fachos de luz para um só ponto. Isso faz com que todos os raios convergindo aumentem monstruosamente a temperatura no ponto focal dos raios, que é onde o cara meteu a linguiça. O treco funciona tão bem, sem carvão, sem fogo, sem energia, que para pegar o bife o cara tem que mover a panela de espelhos senão ele pode até carbonizar a própria mão.

Assim, o princípio, que funcionava defendendo siracusa muito antes de Cristo dar as caras por aqui funciona ainda hoje, seja para fazer churrasco sem carvão seja para:

Gerar energia com o sol

 

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O principio de apontar o reflexo do sol para um ponto específico é usado por algumas usinas solares. Essa disposição circular de espelhos no meio do deserto joga o raio de luz que vem do sol na ponta da torre no cetro do complexo. Essa parte que fica branca é originalmente uma superfície preta de carbono, capaz de aguentar temperaturas infernais. Ali dentro, passa água, que vai ser aquecido ao ponto de ebulição, virando vapor, e este vapor toca uma turbina ou mais, gerando  energia elétrica. Esse é o funcionamento básico de uma usina solar sem painéis fotovoltaicos.

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Como você pode imaginar, o uso de espelhos é uma forma extremamente mais barata e também mais eficiente de produzir energia, sobretudo quando se considera a área envolvida e os custos.

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Mas apesar de genial, este não é o único sistema de usina solar que existe. Ele é legal, mas não considero este o mais legal. Há um modelo de usina solar que é tão, mas tão bacana, que não posso deixar de falar dele aqui:

Usina solar de espelhos curvos

Uma usina solar de espelhos curvos ainda funciona de certa forma seguindo o princípio que Arquimedes bolou lá na Grécia Antiga. Ao invés de um porrilhão de espelhos retos inclinados controlados por computador concentrando todos os raios num mesmo ponto, temos espelhos curvos, direcionando seus focos para um cano que passa no meio deles.

Assim, esqueça a Torre e todos os custos de fazê-la. Esqueça também os passarinhos sendo torrados pela energia invisível da luz concentrada. Nesse sistema de espelhos curvos, a geração de energia é distribuída, e não concentrada.

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Observe como são os espelhos. Eles estão curvados como se fossem grandes calhas. Esse sistema ainda se baseia na arma de Arquimedes, que direciona o feixe de energia para um ponto. Este ponto é aquele cano preto de vidro que passa li no meio. Mas a grande genialidade é que a forma de calha elimina a necessidade de um eixo de movimentação dos espelhos, para acompanhar o deslocamento da Terra que muda a posição do sol no céu.

Este modelo de usina solar é maneiro porque ele consegue gerar energia até de noite!

Sim, eu disse DE NOITE! Pode ficar chovendo direto que essa usina solar continua a produzir. A explicação para isso que parece um milagre, é muito engenhosa.

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Dentro deste tubo de vidro passa outro tubo.  A camada mais externa é um vidro especial que aguenta altíssima temperatura. Entre os dois tubos está um espaço de vácuo molecular. O vácuo reduz significativamente a perda de calor por convecção. Ali dentro do tubo escuro, está uma camada de um sal. Esse sal quando aquecido a uma temperatura de 218,33 graus centígrados (425 F) se liquefaz. O sal ficará em estado líquido enquanto a temperatura se mantiver acima desse patamar. O lance é que ele demora a liquefazer e demora a voltar ao estado sólido também. Dessa forma ele opera como se fosse uma “pilha” de energia térmica. Na camada mais interna do tubo, o sal é tocado por uma bomba e vai até a usina, onde é usado como uma serpentina, que aquece a água.  Assim, a água vai ser aquecida pelo sal liquefeito que está numa temperatura absurda. A imagem abaixo dá uma dimensão de como essa joça se aquece:

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Ao passar pela tubulação com o sal dentro da usina, a água vira vapor instantaneamente e esse vapor é direcionado pela tubulação para tocar uma turbina, o vapor gira dentro da instalação passando diversas vezes pela turbina até o limite máximo que a eficiência permite e depois o vapor bem mais frio vai para um reservatório onde se condensa, e “chove”. Essa “chuva” ali é então reagrupada e retorna ao sistema.

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Como o sal fica hiper quente durante muito tempo, o trabalho do espelho é só jogar energia nele para ele se manter liquido. Isso gera uma espécie de letargia no sistema, que permite que ele continue a operar até o sal esfriar, só que o sal demora muito tempo para esfriar, e a menos que os vulcões da Terra entrem em erupção e passemos a viver no mundo escuro da Matrix, sempre haverá um novo dia para o espelho refletir os raios e acumular a energia da luz no tubo de vácuo repleto de sal.

Antes do conceito do sal líquido, se usava óleo. Mas os sais fundidos podem operar a temperaturas mais elevadas do que os óleos (até 550 ° C em vez de 390 ° C), aumentando assim a eficiência e potência de saída de uma usina solar que use o sal. Outras vantagens do sal é que ele é mais ecológico, (ele é um fertilizante)  e não pega fogo como o óleo.

Este sistema CSP com sal fundido está em uso na Itália e também na Espanha.  CSP é a sigla para usina de energia solar por concentração de raios.

Pode falar, a ideia é foda.

Mas por que não vemos isso em todo lugar?

Há duas questões políticas e técnicas por trás disso. Vamos começar com a política. O conceito inovador é recente. Ele surgiu apenas em 2001, quando o físico nuclear italiano e vencedor do Prêmio Nobel Carlo Rubbia, presidente do ENEA na época, começou a Pesquisa e Desenvolvimento em tecnologia de sal fundido na Itália.

Rubbia tem sido um defensor do sistema, mas foi forçado a deixar o ENEA em 2005, após fortes divergências com o Governo italiano (tem governo que é um pé no saco mesmo). Assim, o cientista fez o que lhe pareceu óbvio: Se pirulitou para outro país!

Ele então se mudou para CIEMAT, (o equivalente espanhol do ENEA). Sob sua orientação, a Espanha tornou-se líder mundial na indústria de CSP.

(E foi assim que fiquei sabendo que isso existe, por intermédio do meu pai)

Felizmente para a indústria italiana, o projeto Archimede (o nome é óbvio mesmo) não foi abandonado e a ENEA continuou seu desenvolvimento até a conclusão.

Agora as questões técnicas: Os sais tendem a solidificar a temperaturas ao redor de 220° C, o que é um problema sério para a operação contínua de uma planta. O ENEA e a Archimede Solar Energy, uma empresa privada com foco em tubos receptores, desenvolveram diversas patentes, a fim de melhorar a capacidade da absorção do calor, e dos espelhos parabólicos, afim de melhorar a transferência de calor para o fluido transportador.

O resultado dessas e de diversas outras melhorias tecnológicas foi um encarecimento do sistema (como em toda tecnologia, ela tende a se baratear ao longo do tempo). O custo resultante foi de 60 milhões de euros para a Archimede Solar Energy. É um preço elevado para uma usina de energia de 5 MW, mesmo em comparação com outras plantas tipo CSP, mas neste caso, dados os resultados dos avanços tecnológicos embutidos no processo,  existe uma margem esmagadora para um enorme roll-out desta nova tecnologia, sobretudo quando aplicada em áreas com forte radiância solar, que é o caso de boa parte do Brasil, sobretudo o nordeste.

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O planeta tem vastas áreas territoriais justamente nas áreas de maior radiância, como a África do Norte, Oriente Médio, Austrália, Chile e EUA.

 

 

Basta dar uma olhada neste gráfico de radiância da wikipedia para prevermos tempos emocionantes à frente quando se trata da adoção da energia solar.

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O Brasil tem uma enorme capacidade de aproveitamento da energia solar: quase toda sua área recebe mais de 2.200 horas anuais de insolação, com potencial equivalente a 15 trilhões de megawatts-hora – o correspondente a 50 mil vezes o consumo nacional de eletricidade. Mesmo assim, aqui se investe pouco na energia solar.

A boa notícia é que há muitas prospecções para instalação desse tipo de usina no Brasil. Podemos ver pelo site da Braxenergy que há planos de instalação de usinas CSP de espelhos curvos, que seriam construídas em média em dois anos em vários estados brasileiros. Se isso vai se realizar ou ficar só na promessa, são outros 500.  A julgar pelo histórico, o Brasil parece inclinado a uma patética utilização das energias solares em sua matriz energética.

Somos um país anacrônico. Há campanhas governamentais para que se reduza o consumo de energia (que só aumenta de preço) enquanto o governo fecha os olhos para um uso indiscriminado de chuveiros elétricos. Com tanto sol, usar chuveiro elétrico no Brasil é quase uma aberração. (detalhe: o aquecedor solar é facil, barato de fazer e a patente dele é liberada)

É uma besteira enorme pensar que devemos abandonar outras matrizes energéticas em detrimento desta ou daquela tecnologia. Felizmente temos um país de dimensões continentais que permite uma ampla gama de geração de energia ecológica. Mas é fato que as mudanças climáticas como a longa estiagem de 2014 mostraram que nossa dependência dos sistemas hidrelétricos é um sinal de má gestão dos nossos recursos. Pensa bem, falar que precisamos que chova para ter energia…  É meio estranho.

Mandam a gente rezar pra chover até para termos água para beber, não parece que é meio primitivo isso? (sobretudo quando podemos fabricar água com o ar?)  Nós evoluímos quando passamos a depender menos da natureza para existir. Ver um político falar que a população precisa rezar para chover para que possa ter energia em casa, é ainda aquela mesma lógica de um homem das cavernas, que dependia que algum bicho morresse para ele poder comer.

O sol está aí. E deve ficar brilhando pelos próximos 7.500.000.000 anos. É muita burrice não aproveitar isso.

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10 comentários em “Novos modelos de usinas solares”

  1. Show esse post seu cara! Não conhecia esse outro tipo com espelhos curvos. Resolve bem o problema dos pássaros suicidas.

    Governo tinha que sair do caminho das pessoas que querem investir em energia. Só falo isso.

  2. Impressionante! Eu sou estudante de Engenharia de Sistemas, estudamos a interação de sistemas complexos com qualquer tipo de sistema, inclusive simulações ‘multi-física’ como o caso do desenvolvimento do Boeing 777 ( o primeiro avião construído exclusivamente através de simulações feitas em computador). Mas enfim, eu tenho um grande apetite em estudar engenharia de energia renováveis! Sobre o seu post: Motivante, parabéns!

  3. Phillipe, ate hoje nao entendi porque aqui em Manaus,AM nao temos usinas solares, caramba aqui voce amanhece ja com 30 graus e quase o ano todo e de sol escaldante amigo, ou seja, isso aqui seria uma das melhores usinas solares do Brasil. e nao vejo o governo do nosso Estado investir nesta area

    • Julio, de fato, creio que o investimento nesse tipo de usina deveria ser privado. O que falta, talvez seja pessoas com muita grana querendo fazer algo que dê dinheiro sem ser especular no mercado financeiro.

  4. O mais incrível Philipe nisso tudo é a quantidade reduzida de comentários de um post com tamanha relevância. Você disse muito bem no inicio… ( Basta cortar a energia para a sua internet de alta velocidade que te leva um universo de conhecimentos ir para o saco e você começar a contemplar uma sensação de primitivismo que chega a ser assustadora.), só isso mostra a importância dessa forma inteligente de geração de energia . Parabéns achei muito bom o seu post, creio que deva focar mais nesse gênero, é só uma sugestão, todo o seu site é muito bom.

  5. Incrível essa pesquisa, em Portugal eu vi que eles estão bem mais focados nesse tipo de captação de energia, pois devíamos seguir o exemplo, ao invés de ficarmos dependentes de usinas hidroelétricas, já existem no mercado as firmas que realizam as instalações particulares, mas não compreendo pq o governo não incentiva, tudo aqui, no início, é tão difícil…complicado.

  6. Phillipe, no final do ano passado a EPE (Empresa de Pesquisa Energética) realizou o primeiro Leilão de Energia de Reserva onde houve compra de energia Solar Fotovoltaica, como uma das formas para incentivar o desenvolvimento desta fonte no Brasil. Até então, os Leilões de Energia de Fontes Alternativas tinham como foco as Usinas Eólicas, Pequenas Centrais Hidrelétricas e Usinas a Biomassa, mas a Solar Fotovoltaica está em grande evolução no país. Acho interessante analisar melhor a tecnologia atual de sistemas solares fotovoltaicos, que já são mais eficientes, e se ligados na rede nacional ao invés de sistemas isolados, não há necessidade de acumular a energia.

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