Análise técnico-econômica e otimização de uma usina heliotérmica na cidade de Mossoró/RN

Abstract

A crescente demanda energética e as preocupações ambientais relacionadas ao uso de combustíveis fósseis têm impulsionado a transição para fontes renováveis. Nesse contexto, a energia solar térmica, especificamente as usinas heliotérmicas (Concentrated Solar Power - CSP), apresenta-se como uma alternativa promissora para a diversificação da matriz energética, especialmente quando associada a sistemas de armazenamento térmico (Thermal Energy Storage - TES). Este estudo tem como objetivo avaliar as vantagens técnicas e econômicas de uma usina heliotérmica em Mossoró/RN, com o objetivo de identificar a configuração mais eficiente e viável, por meio da análise de diferentes arranjos de armazenamento térmico sensível e fluidos de transferência de calor no campo solar e no sistema de armazenamento. As simulações também incluíram a cidade de Bom Jesus da Lapa/BA, com o intuito de comparar o desempenho entre regiões com distintos níveis de irradiância solar direta normal (Direct Normal Irradiance - DNI). Foram consideradas quatro configurações principais: (i) CSP com óleo sintético como fluido de transferência de calor (Heat Transfer Fluid - HTF) e sal fundido como meio de armazenamento térmico; (ii) CSP com sal fundido como HTF e como meio de armazenamento térmico; (iii) CSP sem armazenamento térmico, utilizando óleo sintético como HTF; e (iv) CSP sem armazenamento térmico, utilizando sal fundido como HTF. A metodologia adotada baseou-se em simulações realizadas no software System Advisor Model (SAM), desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL), para analisar o desempenho das usinas sob diferentes cenários. Os parâmetros considerados incluíram o custo nivelado de energia (Levelized Cost of Energy - LCOE), a eficiência energética e o fator de capacidade (Capacity Factor - CF). Os resultados indicam que as configurações com armazenamento térmico apresentam maior competitividade e viabilidade econômica, reduzindo o LCOE e aumentando a produção anual de energia. A configuração com sal fundido como HTF e TES (planta ii) apresentou os melhores resultados, com menor LCOE (23,44 ¢/kWh em Bom Jesus da Lapa e 24,64 ¢/kWh em Mossoró) e maior produção anual (até 435,4 GWh em Bom Jesus da Lapa), alcançando um CF de 49,7%. Apesar do investimento inicial elevado, a economia proporcionada pela maior eficiência energética compensa os custos adicionais. Em contraste, as configurações sem armazenamento térmico demonstraram menor eficiência e viabilidade econômica, apresentando um LCOE mais alto (29–34 ¢/kWh) e uma redução de até 15% na produção de energia. Desse modo, compreende-se que o uso de sistemas de armazenamento térmico é essencial para tornar a tecnologia CSP mais competitiva no Brasil, garantindo maior flexibilidade e confiabilidade na geração de energia. Além disso, a utilização de um mesmo fluido de transferência de calor tanto no campo solar quanto no sistema de armazenamento térmico, especialmente quando se trata de sal fundido, possibilita maior eficiência térmica e redução de custos operacionais. Esses resultados reforçam a importância do desenvolvimento e da implementação de usinas CSP no país, contribuindo para a diversificação da matriz energética e a promoção de um sistema energético mais sustentável.