IRRIGAÇÃO DO NORDESTE

GERAÇÃO HELIOTÉRMICA: UMA NOVA OPÇÃO DE ENERGIA LIMPA PARA O BRASIL1 Evandro Sérgio CAMÊLO CAVALCANTI Centro de Pesquisas de Energia Elétrica-CEPEL Caixa Postal 68.007 Rio de Janeiro 21.941-590, BRASIL e-mail: camelo@cepel.br Rubem Bastos Sanches de BRITO Ministério de Minas e Energia-MME Departamento Nacional de Desenvolvimento Energético Brasília, 70065-900, BRASIL e-mail: rubembrito@mme.gov.br Resumo A geração heliotérmica de eletricidade apresenta-se como uma excelente opção para o setor elétrico brasileiro, predominantemente hidráulico, pois a medida que os recursos hídricos decrescem nos períodos de seca, aumenta o potencial solar devido a menor interferência de nuvens e radiação solar mais intensa. A combinação solar/hidro possibilita um planejamento equilibrado para minimizar influências devido às variações no clima. A região Nordeste brasileira apresenta as melhores condições climáticas para a instalação de plantas heliotérmicas. Apresenta-se neste trabalho a análise das três tecnologias heliotérmicas mais desenvolvidas, a saber: cilindro parabólico, torre central e disco parabólico. Estima-se que a demanda de eletricidade para atender as metas de irrigação do semi-árido nordestino seja da ordem de 4.500 a 7.500 MW, em função do tipo de tecnologia de irrigação usada e da distância à fonte. 1 Artigo a ser submetido ao VIII Congresso Brasileiro de Energia – CBE, a ser realizado no Rio de Janeiro (RJ), 30 de Novembro a 2 de Dezembro, 15p., 1999. Introdução A energia solar é a forma mais abundante de energia disponível do mundo, mas também é uma das formas mais diluída e intermitentes (KREIDER & KREITH, 1985). É uma alternativa importante para a geração de eletricidade que oferece vantagens econômicas e ecológicas. Algumas destas vantagens são: inesgotável, fonte de energia renovável e gratuita; geração de eletricidade livre de contaminantes gasosos como: CO2, SO2 e NOX; níveis de poluição aceitavelmente baixos quando complementada com combustíveis fósseis; e reduzida necessidade de área (3,0 ha/MWe) quando comparanda a outras fontes renováveis (Hidráulica: 55,0 ha/MWe em média) (CEMIG, 1995) (ANDERSON & AHMED,1995), isto é,. impacto ambiental mínimo ao meio ambiente. A conversão da energia solar em energia mecânica e/ou elétrica tem sido objeto de experiências por mais de um século. Em 1872, MOUCHOT exibiu uma imprensa acionada a vapor durante à Exposição de Paris, e em 1913 um sistema de irrigação solar começou seu breve período de operação em Meadi no Egito. Estes e outros desenvolvimentos utilizaram coletores concentradores para fornecer vapor para acionar estas máquinas (DUFFIE & BECKMAN, 1991) (De LAQUIL et al., 1993). Uma interessante revisão histórica destas experiências foi apresentada por JORDAN & IBELE (1956). Progresso significativo foi alcançado no desenvolvimento de tecnologias heliotérmicas tornando-as economicamente competitivas para a geração de eletricidade. Durante o início dos anos 80, foram construídas várias e importantes plantas pilotos que operam satisfatoriamente, estabelecendo-se assim a viabilidade da tecnologia (HOLL & BARRON, 1989). Hoje mais de 354 megawatts de eletricidade são gerados através de plantas heliotérmicas comerciais nos Estados Unidos (HOLL & BARRON, 1989) (De LAQUIL et al., 1993) (GRASSE, 1994a), e a experiência ganha destas plantas, além das atividades de pesquisa e desenvolvimento, ajudou a reduzir o custo dos sistemas heliotérmicos para um-quinto daquele das primeiras plantas pilotos (De LAQUIL et al., 1993). Sem dúvida, as melhoras tecnológicas futuras reduzirão os custos mais ainda, além de contribuir para melhorar os níveis de desempenho. Estes avanços, junto com reduções de custo viabilizadas pela escala de produção, possibilitarão a construção de uma sucessão de plantas heliotérmicas, prometendo tornar o custo de geração dos sistemas heliotérmicos competitivo em relação às plantas de combustível fóssil. O "Plano Nacional de Energia Elétrica 1993/2015 - PLANO 2015" (ELETROBRÁS, 1994, 1995, 1999) analisou as alternativas por ampliar o sistema elétrico do brasileiro nas próximas décadas, considerando o fornecimento e demanda de energia em diferentes cenários de crescimento. Várias alternativas para o uso do potencial hidroelétrico brasileiro conduziram o setor de elétrico a considerar a necessidade de: (i) preparar um plano para a geração termoelétrica a carvão e gás natural; (ii) estudar e avaliar projetos de plantas pré-comerciais para geração de eletricidade usando fontes alternativas, tendo em vista, que este tipo de geração é ambientalmente compatível. As considerações apresentadas motivaram o objetivo deste trabalho para a identificação de um mercado potencial para a geração heliotérmica visando a implantação de uma planta pré-comercial no Brasil. Mercado Potencial para Plantas Heliotérmicas Brasil é um país com elevado potencial para a implementação de plantas heliotérmicas, por causa da grandes áreas com disponibilidade de radiação solar e a proximidade do equador. Energia solar em quantidade suficiente para uso em grande escala comercial é predominantemente disponível na área de semi-árido, localizada principalmente na Região Nordeste brasileira. Esta área apresenta as melhores condições climatológicas para a instalação de plantas térmicas solares, como, baixa nebulosidade, precipitação reduzida, baixa umidade, alta insolação, e o mais alto nível de radiação solar direta disponível no Brasil. Na região Nordeste, principalmente na bacia do rio São Francisco, há aproximadamente 30,8 milhões de hectares de terra irrigáveis distribuídas em dezessete áreas prioritárias, mas por causa de algumas restrições como distância à fonte ou altura de bombeamento, este valor é reduzido a 8,1 milhões. Infelizmente, não existe água suficiente para irrigar esta área. Além disso, considerando o uso múltiplo da água nesta região, apenas 1,5 milhões de hectares do semi-árido podem ser irrigados no futuro (CODEVASF, 1991). Assim, a demanda potencial de eletricidade associada com a irrigação é estimada como sendo da ordem de 4,500 a 7,500 MW, em função da tecnologia de irrigação utilizada e da distância a fonte. O potencial hidrelétrico da região Nordeste é da ordem de 26,700 MW; dos quais mais de 13,350 MW já são explorados em plantas hidrelétricas ao longo do rio São Francisco (Três Marias, Sobradinho, Paulo Afonso, Moxotó, Xingó e Itaparica). Os recursos desta região serão utilizados completamente no início do próximo século e os custos marginais de novas plantas subirão rapidamente (ELLIOT, 1994). A limitação do uso da hidreletricidade e a demanda potencial de eletricidade para irrigar o semi-árido na região Nordeste apoiam a idéia de associar a geração heliotérmica a projetos de irrigação. Esta associação criará maior disponibilidade de energia nesta região. Esta energia conduzirá a vários benefícios, tais como: crescimento local e desenvolvimento; implementação de benefícios sociais locais; oferta de empregos novos no campo que evitando-se o êxodo rural; mais água poderá ser direcionada para a irrigação ao invés da geração; a hidreletricidade não usada para irrigação estará disponível para outras aplicações; além de outros. Opções de Fontes de Energia Renováveis para a Irrigação O custo da eletricidade obtida a partir do aproveitamento de energia renovável varia e depende da tecnologia usada. Além disso, o custo desta energia depende, também, das características de outros equipamentos do sistema e da variação na demanda de eletricidade, a qual é influenciada pelo clima, hora do dia e mês do ano. A determinação do custo de energia não é simples para a geração intermitente: eólica, fotovoltaica, e heliotérmica. A flutuação na produção de eletricidade intermitente gera novos problemas para o gerenciamento de sistemas produtores. Sistemas de armazenamento de eletricidade podem reduzir o custo para atender flutuações na demanda ou na fonte. A escolha da tecnologia é principalmente determinada pelas características do local como: localização geográfica do sítio, demanda de carga elétrica, além de outros. Tipicamente o custo da energia a partir de fontes renováveis cairam a metade na última década e espera-se que caia a metade durante os próximos dez anos. Na Tabela I, apresentam-se alguns exemplos de redução de custos que foram alcançados e esperados para algumas tecnologias usadas para o aproveitamento de fontes renováveis (OECD/IEA, 1997). A geração eólica apresenta o mais baixo custo de energia, mas como os projetos de irrigação na região Nordeste de Brasil serão desenvolvidos principalmente na bacia do rio São Francisco, onde o potencial da energia eólica não é tão atraente para explorar em comparação com a radiação solar direta disponível. As exigências de carga para irrigação durante aproximatemente dezoito horas por dia requerem armazenamento de energia, que poderá ser feito na forma de calor, gás de síntese ou água. Considerando a escala desejada de demanda de 1MWe a 30 MWe para cada planta, a geração heliotérmica apresenta-se como a melhor solução de armazenamento e menor custo de energia quando comparados à geração fotovoltaica. Assim, por causa destas razões a geração heliotérmica é a escolha adequada para esta região e aplicação. No desenvolvimento de tecnologias heliotérmicas a atenção tem se voltado para o aperfeiçoamento de vários processos, a saber: a captação da radiação solar; sua conversão para aquecer; o transporte e armazenamento do calor e sua conversão final para eletricidade. Assim, as tecnologias de heliotérmicas (cilindros parabólicos, torres centrais, e discos parabólicos) baseiam-se em quatro componentes básicos: coletor, receptor, transporte-armazenamento, e conversão de potência. O coletor captura e concentra a radiação solar que é entregue então ao receptor. O receptor absorve a luz solar concentrada e transfere a energia térmica a alta temperatura para um fluido de TABELA I. Redução de Custos Verificados e Esperados para Algumas Fontes Alternativas (OECD/IEA, 1997) TECNOLOGIA CUSTO ATUAL DA ENERGIA (US$/KWH)* QUEDA DO CUSTO DA ENERGIA NOS ÚLTIMOS 10 ANOS (%) REDUÇÃO ESPERA NO CUSTO DA ENERGIA EM 10 ANOS (%) PCH 0,02 – 0,10 constante ligeiro aumento BIOMASSA Queima de Rejeitos 0,02 – 0,14 constante, mas agora elevando-se elevação contínua Digestão Anaeróbica 0.02 – 0,14 5 - 10 5 - 10 Gás de Lixo Urbano 0,04 – 0,06 10 - 15 ligeiro aumento Energia de Florestas e Cultivo de Grãos 0,05 - 0,08 (calor) 0,08 - 0,15 (elétrico) 5 - 10 (calor) 10 - 15 (elétrico) 10 - 15 (calor) 30 - 50 (elétrico) BIOCOMBUSTÍVEIS Etanol 0,24 - 0, 37 (US$/litro) 5 - 10 25 - 50 Biodiesel 0,40 - 0,52 (US$/litro) 5 - 10 20 - 25 AQUECIMENTO SOLAR DIRETO 0,03 – 0,20 30 - 60 30 - 50 GERAÇÃO HELIOTÉRMICA 0,10 – 0,25 50 25 FOTOVOLTAICA 0,50 – 1,50 40 40 - 50 GERAÇÃO EÓLICA 0,04 – 0,10 30 - 50 20 - 25 * os valores podem variar de sítio para sítio e de país para país. trabalho. O sistema de transporte-armazenamento leva o fluido do receptor para o sistema de conversão de potência; em algumas plantas heliotérmicas uma parte da energia térmica é armazenada para uso posterior. O sistema de conversão de potência consiste de uma máquina de térmica que aciona um gerador elétrico assegurando a conversão da energia térmica em energia elétrica, de forma semelhante a geração de eletricidade convencional a partir de combustíveis fósseis ou fontes nucleares. As tecnologias heliotérmicas concentram radiação solar por meio de refletores ou lentes que rastream o sol, focalizando os raios solares sobre um receptor, onde a energia solar é absorvida como calor para em seguida ser convertida em eletricidade ou incorporada a produtos na forma de energia química, como no caso da produção do gás de síntese. Os dois sistemas heliotérmicos básicos, receptores distribuídos e receptor central, empregam, respectivamente, vários pontos ou focos lineares e uma única cavidade focal onde a radiação solar direta é concentrada. As três principais tecnologias mais desenvolvidas são diferenciadas pela característica da superfície refletora na qual a radiação solar é coletada e refletida (WINTER et al., 1991) (De LAQUIL et al., 1993) (GRASSE, 1994a, 1995). Eles são o sistema de cilindroparabólico, o sistema de disco-parabólico, conhecido como receptores distribuídos e o sistema de solar de torre conhecido como receptor central (De LAQUIL, 1993) (GRASSE, 1994a e 1994b), veja Figuras de 1 a 3. Figura 1. Cilindro-parabólico Na Tabela II, apresentam-se as principais características técnicas e econômicas das tecnologias heliotérmicas mais comuns (HOLL & BARRON, 1989), (PILKINGTON, 1996), (OECD/IEA, 1997), (SolarPACES, 1999) e.(PSA, 1999). As tecnologias heliotérmicas são apropriadas para uma série de aplicações, podendo ser usadas para atender o pico de demanda ou cargas intermediárias a nível das concessionárias, ou instaladas como sistemas modulares em áreas isoladas. Na Figura 4, apresenta-se a comparação do custo da energia gerada com tecnologias heliotérmicas em relação a outras fontes em função do tipo de carga (PSA, 1999). Na Tabela III, apresenta-se a comparação entre as três escolhas tecnológicas, diferenciando-as quanto à aplicação, avanços alcançados e características especiais (PILKINGTON, 1996). Na Figura 5, tem-se a projeção do custo de energia gerada para as próximas décadas (PSA, 1999). Deve-se destacar que a redução de custo é baseada no crescimento do mercado, bem como, na maturidade dos avanços tecnológicos a ser Figura 2. Torre Central Figura 3. Disco Parabólico alcançada. TABELA II. Características das PrincipaisTecnologias Heliotérmicas. TECNOLOGIA CILINDRO PARABÓLICO TORRE CENTRAL DISCO PARABÓLICO Radiação Solar Mínima (W/m2) 300 300 300 Classe de Potência (MW) 30-40 30-200 0,010-0,050 Temperatura de Operação (°C) 200-500 500-1000 500-1200 Concentração 60-90 500-1,200 600-2000 Custo de Investimento (US$/kW) 2890-4500 1100-4800 6000-10000 Custo de Energia(US$/MWh) 60 – 130 120- 185 270-330 Eficiência de Pico (%) 21 23 29 Eficiência Anual Global (%) 10 -12 (d) 14 - 18 (p) 14 - 19 (p) 18 -23 (p) Fator de Capacidade Anual (%) 24 (d) 25 a 70 (p) 25 (p) * (d) demonstrado; (p) previsão Considerações Finais e Conclusões O desenvolvimento de tecnologias e o aumento do uso de certos tipos de fontes de energia, como por exemplo, o carvão, pode acentuar a causa de sérios problemas ambientais, tais como, a chuva ácida e o efeito estufa. A energia solar é uma importante alternativa para a geração de eletricidade que oferece vantagens ecológicas e econômicas. Nuclear Hidro SEGS ISCCS Eólica Disco/Stirling Torre Central PV 0 10 20 30 40 50 Base: 4000 - 7000 horas de operação Carga Intermediária: 2000-4000 horas de operação Pico: 500-2000 horas de operação Intermitente: 2000-3000, capacidade não garantida Carvão (Preço Mundial) CC (Gás Natural) Turbina a Gás(DIESEL) TG(Gás Natural) Centavos de US$/kWh Figura 4. Comparação de Custos de Geração (PSA, 1999) US$/kWh Custo Reduzido: 0,04 US$/kWh Disco/Stirling Torre Central 0 0,10 0,05 0,20 0,15 0,25 0,30 0,35 2000 2005 2010 2015 2020 Ano Cilindro-Parabólico Figura 5. Projeção do Custo de Energia para a Geração Heliotérmica (PSA, 1999) As tecnologias baseadas no uso de fontes renováveis, oferecem soluções com o menor impacto ambiental. Até mesmo em operação híbrida, as plantas heliotérmicas que operam com combustíveis fósseis apresentam grande redução no impacto ambiental. Embora medidas efetivas não tenham ainda sido implementadas em muitos TABELA III Comparação das Principais Tecnologias Heliotérmicas TORRE CENTRAL DISCO-PARABÓLICO CILINDRO-PARABÓLICO APLICAÇÕES Plantas Concectadas à Rede; temperaturas para processo elevadas Sistemas isolados ou Sistemas de baixa potência Plantas Concectadas à Rede; Calor de Processo ESTÁGIO DE DESENVOLVIMENTO Testes e Plantas de Demonstração de até 10 MWe; estágio comercial a partir de 1999; adequada para integração em ciclos combinados Testes e Unidades de Demonstração; Sistemas isolados de até 50 kWe e sistemas modulares de até 5 MWe; estágio comercial a partir de 1998. Comercial com plantas de 30 a 80 MWe; Existem 354 MWe operando; Adequada para integração em ciclos combinados VANTAGENS Excelente perspectiva de longo prazo alcançar elevadas eficiências e armazenamento à alta temperatura; operação híbrida possível Elevadas eficiências de conversão; modularidade; operação híbrida em desenvolvimento Comercialmente disponível com mais de 4500 GWh de experiência operacional; operação híbrida provada; capacidade de armazenamento DESVANTAGENS Projeções de custo não demosntradas; heliostatos requerem alta precisão de rastreamento Back-up com combustível fóssil não provado; dificuldade de armazenamento; elevado custo; ainda em desenvolvimento Temperaturas baixas conduzem a obtenção de vapor qualidade moderada devido ao limite da temperatura do óleo países para internalizar os custos ambientais da produção da eletricidade, isto certamente irá ocorrer em breve, tornando desejável o desenvolvimento de tecnologias limpas para a geração de energia. A geração heliotérmica tem um nicho bem identificado para o fornecimento de energia em áreas com elevada radiação solar direta. (GRASSE, 1994a,1995). As plantas heliotérmicas têm a menor necessidade de área quando comparada com outras tecnologias alternativas, em particular, nos projetos hidráulicos, logo apresentam o mínimo impacto ambiental. Exceto para hidrelétricas com grandes quedas, as necessidades de áreas para projetos hidráulicos variam de aproximadamente dez a diversas centenas de vezes aquelas de projetos solares para as eficiências de conversão atuais, em média elas são de 25 a 50 vezes (ANDERSON & AHMED, 1995). Embora as tecnologias heliotérmicas se apresentem promissoras, elas não serão completamente utilizadas até que ocorra uma ampla cooperação entre governos, concessionárias e setor privado. Além disso, incentivos mercadológicos devem ser criados para que possam ser vencidas as barreiras que existem, especialmente junto a comunidade financeira, pois os sistemas heliotérmicos são novos (e vistos como um investimento de alto risco) e podem ser vistos como concorrentes das tecnologias existentes.. Finalmente, os sistemas heliotérmicos precisam ser apoiados por políticas reguladoras de longo prazo para que se faça sentir os benefícios sócio-econômicos do uso evitado dos combustíveis convencionais (De LAQUIL et al., 1993) (GRASSE, 1994a) (PILKINGTON, 1996) e (SolarPACES, 1999). Um importante passo para implementar o uso da energia solar em países em desenvolvimento foi dado, em Março de 1994 através da criação do "Global Environmental Facility-GEF". Esta iniciativa envolve a implantação de linhas de projetos elegíveis para financiamentos de aplicações comerciais ou pré-comerciais. Deve-se destacar que as tecnologias não estão congeladas por causa destes programas, o que significa que algumas pesquisas, desenvolvimentos, e projetos de demonstração usando energia solar podem ser elegíveis para as linhas de financiamento do GEF. Visando introduzir as tecnologias heliotérmicas, como mais uma opção de geração para o setor elétrico brasileiro (ELEBROBRÁS, 1999), o MME, MCT, ELETROBRÁS, CEPEL, CHESF, COELBA, CODEVASF, PETROBRÁS e a Fundação Brasileira para o Desenvolvimento Sustentável-FBDS, estão preparando, com recursos obtidos do GEF, um estudo de viabilidade técnico-econômica para a construção da primeira planta heliotérmica pré-comercial a ser implantada no Brasil. Referências ANDERSON, D. & AHMED,K. (1995). The Case for Solar Energy Investments. World Bank. Technical Paper Number 279-Energy Series, xi+16p., 1995. CEMIG. Private communication. (1995). CODEVASF. (1991). 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