Ligas à base de níquel e aços inoxidáveis contendo níquel desempenham um papel fundamental em um novo tipo de energia renovável chamada energia solar térmica ou energia solar concentrada (CSP).
O uso desses materiais permitiu que a indústria superasse desafios na tecnologia de transferência e armazenamento de calor e, para projetos com vida útil de 40 anos ou mais, pode ajudar a reduzir a degradação do material ou os custos de reposição.
De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEO 2017), entre 2015 e 2040, o consumo de energia renovável (incluindo CSP) crescerá a uma taxa anual de 2,3%. Atualmente, existem mais de 40 usinas solares térmicas em todo o mundo, e mais de 20 dessas usinas estão em fase de planejamento ou construção. Eles tendem a estar localizados em áreas com alta irradiância solar, como Espanha, Índia, África do Sul, China, Chile, Austrália, Oriente Médio e Norte da África (MENA) e sul dos Estados Unidos.
As usinas de demonstração CSP estavam em operação já na década de 1980. Desde então, muito progresso foi feito na coleta e armazenamento de energia. A torre solar é uma tecnologia de concentração recentemente desenvolvida na qual o sal fundido é usado como fluido de transferência de calor. A temperatura de fusão da mistura de nitrato é geralmente de 130 graus (268 graus F) ou superior. Eles permanecem na forma líquida em tanques de armazenamento isolados a temperaturas de 288 graus (550 graus F). O sal líquido é então bombeado através de um tubo para um receptor solar e aquecido por radiação concentrada a temperaturas de até 566 graus (1.050 graus F). O líquido de alta temperatura é então alimentado em um tanque de armazenamento de alta temperatura. O tanque de armazenamento de alta temperatura também é isolado e pode armazenar energia térmica por um longo tempo.
O Armazenamento Térmico de Eletricidade (TES) é usado para compensar mudanças na demanda e nas condições ambientais. O sal fundido é bombeado para um gerador de vapor conforme necessário para gerar vapor para acionar turbinas e geradores convencionais. O TES tem vantagens únicas sobre outras fontes de energia renovável em grande escala e, em alguns casos, nem mesmo requer combustível de geração de energia de reserva. No verão de 2013, um sistema de torres de sal fundido na Espanha produziu eletricidade contínua 24 horas por dia durante 36 dias - a primeira vez.
Crescent Dunes é uma dessas usinas em operação. Localizado em Tonopah, Nevada, no deserto ao norte de Las Vegas, possui capacidade de geração líquida de 110 megawatts e tempo de TES de 10 horas. Isso significa que a usina pode gerar eletricidade em plena capacidade por até 10 horas durante os períodos de pico de demanda. Mais de 10,000 heliostatos refletem a luz solar e concentram a energia em um receptor no topo de uma torre de 200-metros (640-pés). Cada heliostato consiste em pequenos espelhos com uma área total de 115,7 metros quadrados (1.245 pés quadrados). A área total de coleta de luz excede 1,2 milhão de metros quadrados (12 milhões de pés quadrados). Desde seu lançamento comercial em 2015, o Crescent Dunes gerou mais de 173 gigawatts de eletricidade, o suficiente para atender ao pico de demanda de eletricidade de cerca de 75{17}} residências. Torres solares e CSPs de sal fundido formam a base do projeto para novos projetos planejados na África do Sul, Austrália e Nevada. O projeto Redstone de 100 MW na África do Sul atenderá ao pico de demanda de eletricidade de cerca de 200,{20}} residências com um tempo de TES de 12 horas. Um novo projeto enorme em Nevada tem 10 torres solares com capacidade de geração de 2 gigawatts (2,{25}} megawatts).
O uso deaço inoxidáveleligas de níqueltornou possível sistemas de alta temperatura, onde o manuseio de sais fundidos era anteriormente um desafio. Projetistas e engenheiros começaram a fabricar tubos receptores de ligas à base de níquel, como UNS N06617, N06625 e N06230, porque precisavam manter a resistência a altas temperaturas por longos períodos de tempo -- uma propriedade conhecida como resistência à fluência. Essas ligas são estáveis em temperaturas de operação principalmente devido ao seu alto teor de níquel e sua resistência à oxidação.
O aço inoxidável tipo 347H (S34709) é usado para tanques de armazenamento de alta temperatura.
Em 2016, a capacidade total instalada de CSPs em todo o mundo atingiu 4.815 MW. Em 2017, a Espanha tinha 2.300 MW de capacidade instalada em operação, quase metade do total mundial. Os Estados Unidos têm capacidade instalada de 1.740 MW e contam com dois dos maiores projetos do mundo: a Usina Solar Avenpa (392 MW) e o Projeto Solar Mojave (354 MW).
Crescent Dunes, localizada no deserto ao norte de Las Vegas, Nevada, tem uma capacidade líquida de geração de energia de 110 megawatts e um tempo de TES de 10 horas. Isso significa que a usina pode gerar eletricidade em plena capacidade por até 10 horas durante os períodos de pico de demanda.
Tecnologia de concentração de torre solar
1. A luz solar é concentrada através de um grande campo de heliostatos e refletida para um receptor no topo de uma torre de 195-metros (640-pés); 2. O sal líquido do tanque de sal frio é bombeado para o receptor e aquecido a 566 graus (1050 graus F); 3. O sal aquecido no receptor é armazenado em um tanque de sal quente; 4. O sal quente é bombeado para o tanque de sal quente através do gerador de vapor para formar vapor, que aciona a turbina a vapor para gerar eletricidade; 5. O sal frio a 288 graus (550 graus F) flui de volta para o tanque de sal frio; 6. O vapor condensado da turbina a vapor é reciclado repetidamente.
