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colectores solares colectores solares Document Transcript

  • Utilização de ColectoresSolares para aProdução de Calor de Processo IndustrialFundos EstruturaisIniciativa promovida e financiada por
  • Utilização de ColectoresSolares para aProdução de Calor de Processo Industrial
  • Edição financiada por
  • TÍTULOUtilização de Colectores Solarespara a Produção de Calor deProcesso IndustrialEDIÇÃODGGE / IP-AQSpPDESIGN2 & 3 D, Design e Produção, Lda.IMPRESSÃOTipografia PeresTIRAGEM1000 exemplaresISBN972-8268-30-0DEPÓSITO LEGAL?????????????????????????????Lisboa, Abril 2004Publicação gratuitaPara mais informações:www.aguaquentesolar.com
  • INICIATIVA PÚBLICA AQSpPO Programa Eficiência Energéticae Energias Endógenas, ProgramaE4, lançado em 2001, cujoconteúdo foi retomado pelaResolução do Conselho deMinistros nº623/2003, de 28 deAbril, reúne um conjunto demedidas para melhorar a eficiênciaenergética e o aproveitamento dasenergias renováveis em Portugal,entre as quais a promoção dorecurso a colectores solares paraaquecimento de água, quer nossectores residencial e serviços, querna indústria: programa ÁguaQuente Solar para Portugal(AQSpP).Para implementar este programa eaumentar a contribuição doscolectores solares para aqueci-mento de água, o POE - ProgramaOperacional da Economia, (actualPRIME - Programa de Incentivos àModernização da Economia) apro-vou a iniciativa pública IP-AQSpPpromovida pela Direcção Geral deGeologia e Energia (DGGE),potenciando sinergias entre váriasinstituições com vista à sua con-cretização: a Agência para a Ener-gia (ADENE), o Instituto Nacio-nal de Engenharia, Tecnologia eInovação (INETI), a SociedadePortuguesa de Energia Solar(SPES) e a Associação Portuguesada Indústria Solar (APISOLAR).O objectivo específico do pro-grama AQSpP é a criação de ummercado sustentável de energiasolar, com ênfase na vertente"Garantia da Qualidade", de cercade 150 000 m2de colectores porano, que poderá conduzir a umameta da ordem de 1 milhão de m2de colectores instalados e opera-cionais até 2010.Para contribuir para a sustentabili-dade do mercado e uma nova ima-gem do produto, os profissionaiscredenciados do sector só instalamequipamentos certificados e ofere-cem garantias de 6 anos, contratodos os defeitos de fabrico e deinstalação, incluindo a manu-tenção dos equipamentos instala-dos durante o mesmo período.
  • AGRADECIMENTOSO documento "POSHIP - O Poten-cial da Energia Solar no Calor deProcesso Industrial", foi produzidoe editado no âmbito do projectoPOSHIP e resume os principaisresultados desse estudo. Dada a sualimitada divulgação no quadro doreferido projecto, optou-se por pro-mover a sua mais vasta divulgaçãono âmbito da IP-AQSpP.O documento que surge integradonesta brochura é uma reimpressãoparcial do anterior documentopublicado no nº 48 da revistaEnergia Solar - Revista de Ener-gias Renováveis & Ambiente,(edição do período Janeiro a Julhode 2001).O projecto POSHIP foi finan-ciado pela Comissão Europeia –Direcção-Geral de Energia eTransporte, através do ProgramaENERGIA (5º Programa Quadro;Energia, Ambiente e Desenvolvi-mento Sustentável; projecto n.ºNNE5-1999-0308).A DGGE agradece às entidadesparticipantes a autorização conce-dida para o uso deste documento,tendo em vista os objectivos daIP-AQSpP, assim como à SPES –Sociedade Portuguesa de EnergiaSolar, pela cedência do materialgráfico.Participaram no projecto POSHIPas seguintes entidades:AIGUASOL EnginyeríaSociedade Portuguesa de EnergíaSolar (SPES)Instituto Nacional de Engenharia,Tecnologia e Inovação (INETI)Institut Català d’Energia (ICAEN) Deutsches Zentrum für Luft undRaumfahrt e.V. (DLR)Instituto para la Diversificacióny Ahorro de la Energía (IDAE)Bayern Zentrum für angewandteEnergieforschung e.V. (ZAE)
  • A actual tecnologia dos colectoressolares já permite a obtenção de calora temperaturas entre 80º C e 250º Ccom um excelente rendimento.Em muitos processos industriais énecessário calor a estas tempe-raturas: produção de vapor,lavagem, secagem, destilação, pas-teurização, etc..A grande dimensão das instalaçõesindustriais permite a aplicação desistemas de baixo custo com umaboa rentabilidade económica.Os campos de colectores solarespodem ser integrados nas cober-turas das naves industriais, ouinstalados em terreno anexodisponível.Nas páginas seguintes apresenta--se a síntese do estado de arte rela-tivamente a este tema.POSHIPPOSHIP - O Potencial da Energia Solarno Calor de Processo IndustrialENERGIA SOLAR EM PROCESSOS INDUSTRIAIS
  • ÍNDICEINTRODUÇÃO1. POTENCIAL DE APLICAÇÕES.(página 8)1.1 Resultados do EstudoPOSHIP1.2 Fabrico de Cerveja e Malte1.2.1 Malte1.2.2 Cerveja1.3 Indústria Alimentar1.3.1 Vinho e outras Bebidas1.3.2 Carne1.3.3 Conservas Vegetais1.3.4 Conservas de Peixe1.3.5 Produtos de Nutrição Infantil1.4 Indústria de Lacticínios1.5 Indústria Têxtil1.5.1 Acabamento1.5.2 Fabrico de Lã1.6 Indústria do Papel1.6.1 Produção de Pasta do Papel1.6.2 Produção do Papel1.7 Indústria Química1.8 Indústria Automóvel e Indús-trias Auxiliares1.8.1 Produção de Pneus1.8.2 Pintura1.9 Indústria dos Curtumes1.10 Indústria Corticeira2. COLECTORES SOLARES.TECNOLOGIA DISPONÍVEL.(página 14)2.1 Introdução2.2 Tipos de Colectores Solares2.2.1 Colectores Solares Planos2.2.2 Colectores de Vácuo2.2.3 Colectores do Tipo CPC(Concentradores Estacionários)2.2.4 Colectores Parabólicos2.3 Concepção de SistemasSolares Térmicos2.3.1 Introdução2.3.2 Sistemas Solares Industriaiscom Armazenamento de Energia2.4 Avaliação Térmica e Económicados Sistemas2.5 Projectos Existentes3. REGRAS BÁSICAS PARA AVALIAÇÃODE VIABILIDADE E PROJECTO DESISTEMAS SOLARES.(página 20)3.1 Análise de Viabilidade –Critérios de Avaliação3.1.1 Selecção dos Processo maisAdequados (interfaces) paraAcoplamento do Sistema Solar3.1.2 Influência da Temperaturade Funcionamento3.1.3 Continuidade da Carga eArmazenamento3.1.4 Zonas Climáticas na Penín-sula Ibérica3.1.5 Resumo dos Critérios deAvaliação3.2 Regras Básicas para o Projectode Sistemas.3.2.1 Campo de Colectores3.2.2 Armazenamento3.2.3 Acoplamento ao SistemaConvencional e Regulação3.2.4 Sistemas Solares Térmicos eCogeração4. ESTUDO DE CASOS.(página 26)4.1 Cruzcampo Malthouse,Andaluzia (Espanha)4.2 Maltibérica, Sociedade Produ-tora de Malte SA (Portugal)4.3 Beiralã, Lanifícios SA (Portugal)4.4 Bodegas Mas Martinet, Tar-ragona (Espanha)5. INCENTIVOS E FINANCIAMENTODE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOSINDUSTRIAIS.(página 30)5.1 Incentivos Públicos5.1.1 Programas de Incentivos daComunidade Europeia5.1.2 Programas de IncentivosNacionais5.2 Financiamento de SistemasSolares Térmicos Industriais
  • 8INTRODUÇÃOOs sistemas industriais solares tér-micos, como fonte de enegia re-novável, podem cobrir uma partesignificativa das necessidades decalor e electricidade industrial.Estas necessidades em calorindustrial constituem cerca de 1/3das necessidades totais de energianos países da Europa do Sul.Cerca de 7% da energia total finalé consumida em calor de processona indústria a temperaturasabaixo de 250ºC. Por outro lado,a instalação de 2 000 000 m2 decolectores solares térmicos paraobtenção de calor de processo naindústria e para arrefecimentosolar, como definido na "Cam-panha de Arranque" da ComissãoEuropeia, representaria umapoupança de energia primária decerca de 2 000 000 MWh/ano.Portanto, a energia solar térmicana indústria pode ser uma impor-tante contribuição para o forneci-mento de energia, baseado emfontes de energia renováveis, deconfiança, limpas, seguras e com-petitivas em termos de custo.Os colectores solares para pro-dução de água quente a baixastemperaturas, constituem umatecnologia bem conhecida e desen-volvida. Com os colectores solaresde alto rendimento recentementedesenvolvidos, pode ser produzidocalor a temperaturas acima de250ºC com excelente rendimento.O calor a estas temperaturas énecessário em vários processosindustriais, tais como geração devapor, lavagem, secagem, desti-lação, pasteurização, etc.Presentemente, estão em fun-cionamento na Europa, sistemassolares térmicos industriais comuma superfície total de colectoresinstalados de cerca de 10 000 m2.Campos de colectores solarespodem ser integrados em telhadosde naves industriais ou instaladosem áreas de terreno disponíveis.A instalação industrial em largaescala conduz a custos de sistemamuito baixos, de tal forma que ossistemas solares para obtenção decalor de processo industrialpoderão ser económicamentecompetitivos, a curto prazo, faceaos sistemas que usam com-bustíveis fósseis. Os custos dosinvestimentos actuais em sistemassolares térmicos variam entre 250e 500 Euros/m2 (correspondendoa 250 – 1 000 Euros/kW de potên-cia térmica) conduzindo a custosmédios energéticos, na Europa doSul, que vão de 2 a 5 cêntimos/kWhpara aplicações a baixas tempera-turas e de 5 a 15 cêntimos/kWhpara sistemas a média temperatura.O custo actual do kWh de energiaprimária poupada em aplicaçõesindustriais é menor que em apli-cações de água quente domésticade pequena/média escala, poden-do ainda ser reduzido, posterior-mente. Reduções de custo pode-rão ser obtidas através da pro-dução em larga escala, reduzindoos custos de operação e manu-tenção e melhorando o rendi-mento dos colectores e a con-cepção dos sistemas, especial-mente para colectores solares demédia temperatura. A médioprazo (por volta de 2010), sãoesperadas reduções de custo quepoderão atingir 50%.O presente trabalho é um resumodos resultados do projectoPOSHIP, um estudo sobre opotencial do calor solar em proces-sos industriais, financiado pelaComissão Europeia no âmbito doseu 5º Programa Quadro.Neste projecto, foi analisado umgrande número de indústrias por-tuguesas e espanholas. Foi rea-lizado um conjunto de estudos depré-viabilidade para sistemassolares a instalar nalgumas dasunidades industriais analisadasque apresentavam condiçõesfavoráveis, os quais poderão darorigem a possíveis centrais térmi-cas solares e que no seu conjuntopoderão ultrapassar os 25 000 m2de colectores instalados.1. POTENCIAL DE APLICAÇÕESA utilização de energia solar naindústria pode contribuir signi-ficativamente para o objectivotraçado pela UE de alcançar 12%da procura energética, com fontesde energia renováveis, até ao ano2010. A potência total consumidaem calor de processo na indústriaa temperatura média (inferior a150ºC) para os 12 países que for-maram a UE em 1994, foi esti-mada em 202.8 TWh (milhões deMWh). A procura actual de ener-gia na UE para processos a médiae média-alta temperatura (abaixode 250ºC) foi estimada em cerca300 TWh, 7% da procura de ener-gia final total.
  • 9Os processos com um consumocontínuo de calor durante as horasde sol e ao longo do ano são aque-les onde são encontradas ascondições mais favoráveis para aaplicação da energia solar.Estes processos podem ser, porexemplo, o aquecimento de ba-nhos líquidos para lavagem,processos de secagem e tratamen-tos químicos, aquecimento de arpara secagem e produção de vapora baixa pressão para usos vários.Um outro grande leque de apli-cações dos sistemas solares podeser encontrado na produção defrio através de máquinas deabsorção ou que usem outros ci-clos térmicos, sendo a combi-nação entre o pico de consumo e amaior incidência de luz solar, umadas suas vantagens.Algumas análises levadas a cabonos EUA, Alemanha, Espanha,Grã-Bretanha, Portugal e Suíça dãouma visão geral representativa daprocura típica de calor de processoacima dos 250ºC. Apesar das dife-renças particulares entre estespaíses, algumas conclusões geraispodem ser retiradas dessas análises:• Em todos os estudos recentesconfirma-se a tendência geral:cerca de 50% da procura de calorna indústria, corresponde a tem-peraturas na gama das baixas(<60ºC), médias (60ºC – 150ºC)e médias-altas (150ºC – 250ºC).• Uma percentagem bastante altado consumo de calor no leque dasmédias e médias-altas tempera-turas, encontra-se nas indústriasalimentar, de papel, têxtil e quími-cas. Mais de 50% das necessidadesem calor de processo destas indús-trias, está na gama de tempera-turas que vai até aos 200ºC.• O maior consumo de calor estálocalizado nas indústrias de papel ealimentar. Um considerável con-sumo de calor está também situadonas indústrias têxteis e químicas.• Na gama dos 100ºC aos 200ºCa maior parte do calor de processoé usado na indústria alimentar,têxtil e química para diversas apli-cações tais como secagem, cozi-mento, limpeza, extracção emuitas outras.Nas secções seguintes apresenta-seum resumo dos dados mais impor-tantes sobre o consumo de calornos sectores e processos industri-ais mais relevantes em Espanha ePortugal. É nestes países que opresente estudo está focalizado.1.1 RE S U LTA D O S D O E S T U D OPOSHIPNo âmbito do projecto POSHIP,foi levada a cabo uma análise doconsumo de calor para um grandenúmero de indústrias em Espanhae Portugal.Essa análise esteve focalizada naavaliação do consumo de calorpelos níveis de temperatura dosprocessos industriais. Baseado nosresultados desta análise, foi estu-dada a potencial implementaçãode sistemas solares térmicos.O Quadro 1 dá uma visão geraldas indústrias analisadas no pro-jecto POSHIP. Mesmo que onúmero de empresas para as quaishá dados disponíveis, seja dema-siado escasso para tirar conclusõesquantitativas exactas extrapo-lando-as a sectores industriaiscompletos, os números obtidospodem ser considerados comouma primeira estimativa dopotencial da energia solar térmicana indústria.A Figura 1 mostra o consumo decalor nas indústrias analisadas –agrupadas em sectores industriais– e as fracções do consumo decalor a baixa e média temperatura.Em todos os sectores estudados (àexcepção da indústria de papel),mais de 60% do consumo de caloré a temperaturas inferiores a160ºC, e em vários sectores quasetodo o calor é consumido a tem-peraturas a menos de 60ºC. Quadro1PanoramadasindústriasestudadasnoprojectoPOSHIP.Sector IndustrialAlimentaçãoVinho e BebidaPapelTêxtilCurtumesMalteCortiçaAutomóvelTotalAndaluzía1113Valência eEspanha Central1124Catalunha43111111Portugal2122119Total6536231127
  • 10Para todas as indústrias, foi ana-lisada a aplicação potencial de sis-temas térmicos solares.Na Figura 2 mostra-se o potencialde aplicações, técnicamente pos-síveis, para a energia solar térmica(dada pela área de telhado máximadisponível e por uma contribuiçãosolar máxima de 60%). A mesmaFigura mostra também o potencialde aplicações, económicamenteviáveis (competitividade económicacom os combustíveis fósseis, con-siderando uma potencial reduçãode custo de 50% para os sistemassolares a curto prazo e 25% definanciamento público).Em muitas indústrias, o factorlimitador é a área de telhado oude solo disponível, de tal modoque não há diferença entre opotencial técnico e económico.Usando os dados referentes àsnecessidades globais de calor deprocesso na indústria espanhola eportuguesa das Figuras 1 e 2, aordem de magnitude do potencialsolar pode ser estimado por sim-ples extrapolação proporcionalpara o conjunto total da Indústria(Quadro 2). O potencial total deaplicações técnicamente possíveispara obtenção de calor deprocesso com sistemas solares emEspanha e Portugal pode ser esti-mado, em primeira aproximação,em 5.5 TWh ou 3.6% do con-sumo industrial total de calor.A importância relativa de cadasector pode ser visualizada naFigura 3. A categoria "outros sec-tores" contém todas as indústriasque consomem calor sobretudo aaltas temperaturas (metalurgia,cerâmica, indústria extractiva).1.2 FABRICO DE CERVEJA E MALTEO consumo total de energia finalna preparação da cerveja e do malteem Espanha ronda os 1867 GWh,dos quais 1522 GWh são usadospara produção de calor (81%).A energia térmica necessária énormalmente obtida em caldeirasde vapor saturado, alimentadas afuel-óleo ou gás natural.Actualmente, os processos de fa-brico de malte e cerveja podem serintegrados ou separados. 80% domalte é produzido em instalaçõesindependentes.1.2.1 MALTEA acção mais importante do calorno processo de fabrico do malte éna secagem do malte germinado,de forma a reduzir a sua percenta-gem de humidade. Como tal, éusado ar pré-aquecido entre os 35e os 80ºC com um fluido auxiliar(vapor a baixa pressão saturado ouágua sobreaquecida).O consumo de calor a baixas tem-Portugal209,34025,12112%7,28529%1,093Espanha855,119128,26815%29,11723%4,368Consumo de Energia FinalCalor Total na Indústria(% do consumo de energia final)Baixa e Média Temperat.(% do calor total na indústria)Potencial do solar térmicoPenísula Ibérica1,064,459153,38914%36,40224%5,460Quadro2Potencialsolaremcalordeprocessonaindústriaespanholaeportuguesa.DadosemTWh(milhõesdeMWh)Figura 1 Distribuição das necessidades de calor por temperaturas. Indústrias estudadas no projecto POSHIP,agrupadas em sectores industriais.Figura 2 Potencial técnico e económico dos sistemas solares para obtenção de calor de processo na indústria(percentagem da procura total de calor). As empresas estudadas no POSHIP estão agrupadas por sectores.
  • 11peraturas no fabrico de malte émuito elevado. A contribuiçãosolar obtida nos casos estudados élimitada pela área de telhado outerreno disponível, a 7% e 20%respectivamente. As baixas tem-peraturas e o funcionamento emcontínuo do processo de fabricodo malte, tornam esta uma apli-cação ideal para a energia solar.Cerca de 14% do combustíveltotal consumido é usado em sis-temas de co-geração, que por seuturno geram à volta de 41% daenergia eléctrica requerida.Além do consumo de calor acimareferido para a secagem do malte,há também necessidade de pro-dução de frio para a germinação,onde a temperatura deve ser man-tida a 14-15ºC. Este processopode conduzir a mais de 20% doconsumo total de calor e frio nasfábricas de cerveja na parte sul daPenínsula Ibérica.1.2.2 CERVEJANo processo de fabrico de cerveja,a energia térmica necessária repre-senta 77%. O Quadro 3 mostra adistribuição do consumo de calorpara o fabrico de cerveja.As necessidades energéticas para apreparação de cerveja são asseguintes:• Aquecimento sucessivo até àtemperatura de fervura do licor decerveja para a produção do mosto,usando vapor saturado a baixapressão e algumas vezes águasobre-aquecida ou mesmo com-bustão directa.• Refrigeração do mosto, pré-aquecendo a água de alimentaçãoe usando sistemas de refrigeraçãoconvencionais.Como tal, é possível usar energiatérmica solar neste sector indus-trial para a produção de calor (a104-110ºC) e frio usando sis-temas de absorção.1.3 INDÚSTRIA ALIMENTARNa indústria alimentar, são usadosos seguintes combustíveis, namaioria para produção ou apli-cação directa de vapor: fuel-óleo(bastante usado), gás natural,gasóleo, propano e biomassa. Nosúltimos anos, o fuel-óleo temvindo a ser substituido parcial-mente por gás natural.Além do consumo de calor, emmuitos sub-sectores há a possibi-lidade de cobrir parte das necessi-dades de frio através do arrefeci-mento solar.1.3.1 VINHO E OUTRAS BEBIDASO mais importante consumo decalor neste sector, com bom poten-cial para o uso de energia solar, é aprodução de água quente paralimpeza e desinfecção das garrafas.A temperatura da água quentenecessária está na gama dos 70 aos90ºC. Em muitas indústrias dosector de bebidas, o volume pro-duzido aumenta no verão, por-tanto existe uma correlação posi-tiva entre a procura de calor e adisponibilidade de radiação solar.Na produção de vinho, o arrefeci-mento das adegas, que algumasvezes se situam em locais remotossem ligação à rede eléctrica, éoutra aplicação potencial (ver oprojecto descrito na secção 4.4).1.3.2 CARNEO maior consumo de calor na pro-dução de produtos derivados dacarne é na água quente paralavagem, fervura e limpeza. A tem-peratura da água quente necessáriasitua-se entre os 60 e os 100ºC.Na produção de carne enlatada, amaior procura de calor situa-se noprocesso de esterilização, que é le-vado a cabo em autoclaves usandoo vapor como fonte de calor. Estaoperação é feita controlando otempo vs. a curva de temperatura.Figura 3 Distribuição das necessidades de calor na indústria de acordo com os diferentes sectores industriais. Dadospara a Espanha (1999). Fonte: MINER, IDAE. Valores estimados para o consumo de calor a baixa e média temperatura.Quadro3ConsumodecalordeprocessonofabricodacervejaPreparação do mostoAquecimento localEngarrafamentoOutros Fins40 a 50 %< 5 %25 a 35 %15 a 20 %
  • 121.3.3 CONSERVAS VEGETAISNeste sector devem ser distingui-dos dois processos principais: opré-cozimento e a esterilização.O vapor seco é normalmenteusado para o pré-cozimento dealguns produtos. A imersão emágua a ferver durante um tempovariável também pode ser usada,dependendo do produto. Esteprocesso é caracterizado pelo seuelevado consumo de combustível.A esterilização é executada usandovapor directamente pressurizadoem autoclaves por alguns minu-tos, alcançando uma temperaturaentre 110 e 125ºC.Na produção de vegetais altamentecongelados, o processo de pré-cozimento é feito por imersão doproduto num banho de águaquente a temperatura entre 95 e100ºC durante 2 a 6 minutos. Esteprocesso consome a maior parte daenergia térmica necessária.1.3.4 CONSERVAS DE PEIXEHá uma grande variedade deprocessos no sector de produçãode peixe enlatado, necessitando deágua ou vapor, quer para a limpezae cozimento dos produtos querpara o tratamento das latas nasquais os produtos são conservados.No processo de descamação elimpeza, as peles e as escamas dospeixes são removidas aplicandoduches de vapor e água.Para o pré-cozimento do produto,é aplicado vapor directamentedurante um período de tempoapropriado.O processo de selagem das latas éexecutado em condições de vácuo,normalmente suportado por jac-tos de vapor.Para a limpeza das latas, estas sãointroduzidas numa máquina delavar de água quente pressurizada,de forma a eliminar os vestígios deóleo e sujidade.A esterilização, por seu turno, éfeita em autoclaves horizontaisdescontínuas, que usam vapor paraaquecer os produtos acima da tem-peratura de esterilização. Este é oprocesso que consome a maiorparte da energia térmica necessária.Durante o processo de cozimentona produção de farinha e óleo depeixe, o produto cortado ás postasé colocado num cozedor-secador,onde o peixe ou sub-produto éaquecido a altas temperaturas (95a 110ºC) por meio de vapordurante 3 a 20 minutos de formaa eliminar a humidade.1.3.5 PRODUTOS DE NUTRIÇÃOINFANTILOs processos de cozimento eesterilização são os mais interes-santes neste sector.O cozimento é um dos processosmais significativos no consumoenergético. É normalmente levadaa cabo em recipientes de vapordescontínuos usando água aque-cida a 70-98ºC através de vaporsaturado.A esterilização é o processo maisimportante de consumo de calorna produção deste tipo de produ-tos. Assim que os frascos tenhamsido selados herméticamente ecolocados nas chamadas jaulas,eles são introduzidos em esteri-lizadores rotativos descontínuos,onde são submetidos a umprocesso de aquecimento-arrefeci-mento de acordo com a curva ade-quada do produto e o tamanhodos frascos. Água e vapor são usa-dos neste processo. O vapor éusado de modo a alcançar tempe-raturas entre 110 e 125ºC.1.4 INDÚSTRIA DE LACTICÍNIOSAs indústrias de lacticíneos são degrande interesse para a energiasolar, visto que trabalham 7 diaspor semana.São particularmente interessantesos processos de desidratação (pro-dução de leite em pó) devido aoseu elevado e constante consumode calor. Na produção, tanto oleite como o soro de leite coa-lhado, são pulverizados emgrandes torres com ar que é aque-cido entre 60ºC (proveniente darecuperação de calor) até aos180ºC. Estes processos operammais de 8 000 horas/ano.A pasteurização e a esterilizaçãosão outros processos interessantesneste sector.No processo de pasteurização, é pos-sível distinguir entre LTLT (baixatemperatura, muito tempo) em queo produto é aquecido a 62-65ºCdurante 30 minutos e é arrefecidoaté 4ºC, e HTST (alta temperatura,pouco tempo), que opera a tempe-raturas entre 72 e 85ºC e é tambémarrefecido até aos 4ºC.Além disso, a esterilização UHT(ultra alta temperatura) requeretemperaturas entre os 130 e os150ºC para serem aplicadasdurante 2 a 3 segundos. Isto é
  • 13conseguido directamente atravésde jactos de vapor ou, indirecta-mente, num permutador de calor.1.5 INDÚSTRIA TÉXTIL1.5.1 ACABAMENTODe entre as operações de pro-dução têxtil, o processo de acaba-mento é o mais dispendioso anível energético. A maior partedas necessidades de calor corres-ponde ás operações de preparaçãoe de tinturaria. As mais represen-tativas são a lavagem, branquea-mento, mercerização e tinturaria.O calor é usado no aquecimentode banhos líquidos acima de tem-peraturas dos 70 aos 90ºC, e parasecagem dos têxteis com ar quentee cilindros de secagem aquecidospor vapor.O sistema mais amplamente uti-lizado para o aquecimento dosbanhos é o uso de vapor, quer porinjecção directa no fluido querindirectamente fazendo circular ovapor por um tubo submerso den-tro do banho.Em muitas destas indústrias, aprodução é contínua e o consumode calor é bastante elevado. Exis-tem muito boas condições para ouso de energia solar no aqueci-mento dos banhos.O gás natural tem tomado umaposição predominante entre oscombustíveis usados no acaba-mento dos produtos têxteis.1.5.2 PRODUÇÃO DE LÃNo armazenamento, bombagem epulverização do velo, são neces-sárias temperaturas entre 40 e130ºC. Neste sector, são usadasvariadas técnicas na recuperaçãodo calor do efluente.1.6 INDÚSTRIA DE PAPEL1.6.1 PRODUÇÃO DE PASTA DE PAPELA indústria de papel (pasta depapel, papel e impressão) é umdos sectores industriais mais con-sumidor de energia.A parte fundamental em toda a pro-dução de pasta de papel é o processode cozimento. Na produção de pas-tas de papel branqueadas comsulfato, os pedaços são postos emcontacto com a lixívia a uma tem-peratura de 170-180ºC e de 8 a10kg/cm2 de pressão, durante oprocesso de lixiviação.Os combustíveis mais amplamenteutilizados são fuel-óleo, fuel--óleo/estilha, estilha e gás natural.São frequentemente utilizados sis-temas de co-geração com turbinasa vapor.1.6.2 PRODUÇÃO DE PAPELMais de 90% do consumo de calorpara a produção de papel é usadaem processos de secagem tantocom ar quente como com cilin-dros aquecidos a vapor, a cerca de135ºC. O consumo de calor nestaindústria é contínuo, 24 horas pordia e quase 365 dias por ano. Asrelativamente altas temperaturasrequeridas nos cilindros desecagem, podem ser obtidasatravés de colectores solares cilin-drico-parabólicos. As duas indús-trias de papel incluidas na análisedo POSHIP mostraram grandesconsumos de calor, entre 28 000 e75 000 MWh.1.7 INDÚSTRIA QUÍMICAHá muitos processos diferentesque consomem grandes quanti-dades de calor na indústriaquímica (p.e. colunas de desti-lação, processos de secagem, fusãoe transformação de plásticos, etc.).1.8 IN D Ú S T R I A AU TO M Ó V E L EINDÚSTRIAS AUXILIARES1.8.1 PRODUÇÃO DE PNEUSÉ possível estimar a seguinte dis-tribuição do consumo de energianeste sector: electricidade 38 a45%, combustíveis (sobretudo gásnatural) 62 a 55%.O consumo de calor é principal-mente para a produção de vapor. Ovapor é usado em processos carac-terísticos de tratamento da borracha(85 a 90%) e o restante do consumode calor é usado para a climatizaçãodos edifícios (10-15%).1.8.2 PINTURANa secção de pintura da indústriaautomóvel, são usados banhoslíquidos a temperaturas bastantebaixas (35 a 55ºC) para limpeza edesengorduramento.1.9 INDÚSTRIA DOS CURTUMESA energia neste sector representaentre 4 e 5% dos custos de pro-dução. No custo total, a energia
  • 14eléctrica representa 60 a 65% e aenergia térmica 40 a 35%.O consumo total de energia é decerca de 700 GWh/ano, dis-tribuido da seguinte forma: ener-gia térmica: 550 GWh; energiaeléctrica: 153 GWh/ano.O combustível mais utilizado é ofuel-óleo (80% em 1994), seguidodo gás natural (18%), gasóleo,propano, resíduos florestais e outros.Os processos de consumo de calorsão processos húmidos (águaquente a temperaturas entre os 30e 60ºC) e processos de secagem(aquecimento de ar).1.10 INDÚSTRIA CORTICEIRANos processos de armazenagem ebombagem do combustível, onível de temperatura usado paraaquecimento é, respectivamente,de 40-45ºC e 60-70ºC. Para apulverização do combustível, esteé aquecido a temperaturas de 100-130ºC, quer dentro quer fora doqueimador.A cortiça é fervida em água a umatemperatura de 100ºC, de ma-neira a extrair o ácido tânico, aaumentar a sua flexibilidade e aexpandi-la.A eliminação total da humidadeda cortiça para as rolhas, de formaa evitar o desenvolvimento demicro-organismos, é levada a caboaquecendo o ar a 40-55ºC, querdirecta ou indirectamente. Omesmo procedimento é aplicado àprodução de elementos amorte-cedores e processamento de com-pósitos. Neste caso, a temperaturado ar atinge os 150ºC.Cerveja e MalteLacticíneosAlimentos em ConservaCarneVinho e BebidasIndústria Têxtil (incl. Lanifícios)Indústria AutomóvelIndústria do papelCurtumesIndústria da CortiçaFervura do mostoLimpeza do vasilhameArrefecimentoSecagemPasteurizaçãoEsterilizaçãoSecagemEsterilizaçãoPasteurizaçãoCozimentoEscaldamentoBranqueamentoLavagem, esterilização, limpezaCozimentoLimpeza de vasilhameArrefecimentoLavagem, branqueamento, tinturariaCozimentoSecagem de pinturasDesengorduramentoPolpa de papel: cozimentoCaldeira da água de alimentaçãoBranqueamentoSecagemAquecimento de água para processos detratamento. SecagemSecagem, cozimento da cortiça, outros10060906062 – 85130 – 150n. d.110 – 125< 8070 – 9895 – 100< 90< 9090 – 10060 – 9085 (*)< 90140 – 200160 – 22035 - 55170 – 180< 90130 – 150130 – 160vapor a 165 – 18040 – 155SECTOR PROCESSOS NÍVEL DE TEMP. (ºC)Quadro4Sectoreseprocessosindustriaiscomcondiçõesfavoráveisparaaaplicaçãodecalorsolar.(*) Arrefecimento em máquina de absorção de efeito simples.No entanto, o valor mais elevadode temperatura é atingido na pro-dução de aglomerado negro de cor-tiça, em que o vapor é aquecidoacima dos 300-370ºC na entradada autoclave usando um queimadoralimentado por cortiça em pó.2. COLECTORES SOLARESTECNOLOGIA DISPONÍVEL2.1 INTRODUÇÃOOs processos industriais necessi-tam habitualmente de energianuma gama de temperaturas,desde a temperatura ambiente até250ºC. Podem, assim, utilizar-sesistemas solares térmicos parafornecer energia nesta gama detemperaturas.De acordo com a gama de tempe-raturas necessárias ao processoindustrial, podem utilizar-secolectores com diferentes tecnolo-gias, assim como diferentes for-mas de integração do sistema solarno sistema de aquecimento con-vencional do processo.Na secção 2.2, apresenta-se umabreve descrição técnica das dife-rentes tecnologias de colectoressolares e dos diferentes tipos desistemas solares existentes actual-mente. Na secção 2.3, faz-se umaavaliação do comportamento tér-mico e uma análise económica dossistemas solares térmicos activospara produção de calor industrial.A Secção 2.4 apresenta alguns dossistemas deste tipo já existentes.O componente principal de um sis-tema solar térmico é o colectorsolar. O colector solar mais simplesé formado por uma superfície pretae por um fluido que circula em con-tacto com esta de modo a extrair aenergia solar absorvida e a utilizá-lapara um determinado fim.Claro que as perdas de umabsorsor deste tipo são grandessendo necessário proceder demodo a reduzí-las, colocando oabsorsor dentro de uma caixa comisolamento por baixo e umacobertura transparente por cima.Esta solução é conhecida comosendo o colector plano com umacobertura.
  • 15A selecção do tipo de colectormais adequado depende principal-mente da gama de temperaturasde funcionamento do processoindustrial e também das condiçõesclimáticas do local.O rendimento de um colectorsolar diminui com o aumento datemperatura de funcionamento oucom a redução da radiação inci-dente. Na Figura 5 representa-segráficamente o rendimentoinstantâneo de diferentes tipos decolectores. (ver Caixa 1).Para aplicações em que sãonecessárias temperaturas acima de80 ºC, não pode ser utilizado ocolector solar plano normal umavez que terá rendimentos instan-tâneos inferiores a 40%.No entanto, foram, desenvolvidasoutras tecnologias para colectoressolares que apresentam rendi-mento superior para as tempera-turas mais elevadas. Os colectoresa utilizar para a produção de calorindustrial podem dividir-se emdois grandes tipos:Colectores EstacionáriosEstes colectores não utilizamqualquer mecanismo de acompa-nhamento do movimento apa-rente do Sol. Podem produzircalor para temperaturas baixas emédias até 150ºC. Pertencem aeste grupo os colectores planos, oscolectores de tubos de vácuo e osconcentradores do tipo CPC.Colectores ParabólicosEste são colectores com um eixode rotação para acompanhamentodo movimento aparente do Sol epodem ser utilizados para pro-dução de calor industrial ou emcentrais térmicas para a produçãode energia eléctrica. Permitemobter temperaturas até 300ºCcom um bom rendimento.A descrição dos tipos de colectoresmais importantes é feita na secçãoseguinte.2.2 TIPOS DE COLECTORES SOLARES2.2.1 CO L E C TO R E S S O L A R E SPLANOSComo foi já mencionado, o colec-tor solar plano (CSP) é o disposi-tivo mais simples para conversãoda energia solar em calor.O fluido que circula no absorsor énormalmente água (frequente-mente com aditivos para protecçãode congelamento). No entanto,podem utilizar-se outros fluidosdependendo principalmente dastemperaturas de funcionamento.Os colectores incorporam dife-rentes tecnologias de modo areduzir as perdas térmicas.Absorsores selectivos vs não selec-tivos. Num colector solar um dostrês mecanismos de perdas é aperda por radiação. Estas podemser reduzidas recorrendo à utiliza-ção de revestimentos selectivos noabsorsor. Estes revestimentos sãoproduzidos de modo a terem umcoeficente de absorção o mais ele-vado possível nos c.d.o. corres-pondentes à radiação visível e aterem um coeficiente de emissão omais baixo possível nos c.d.o. doIV (Infra-vermelho) que corres-ponde às temperaturas de fun-cionamento do colector. Os colec-tores que utilizam este tipo derevestimento são designados porselectivos e todos os outros quetêm apenas uma pintura preta, sãodesignados por não-selectivos.Cobertura simples/Dupla cober-tura, barreiras convectivas. Outrodos mecanismos de perdas é aconvecção. Uma forma de reduzira convecção é a utilização de umacobertura transparente, normal-mente uma película fina transpa-rente colocada entre a coberturade vidro e o absorsor. O melhormaterial para este fim é o Teflon,que tem transmissividade elevadae boa resistência térmica. Outrapossibilidade é a utilização demateriais transparentes isolantes(TIM) que permitem a construçãode colectores planos estacionárioscom rendimentos elevados.Figura5Rendimentoinstantâneoparadiferentestiposdecolectores.Figura4Secçãotransversaldeumcolectorsolarplano.
  • 16O rendimentos instantâneo (η) de umcolector solar é dado pela razão entrapotência fornecida pelo fluido detransferência e a radiação solar inci-dente na abertura do colector. Orendimento é habitualmente represen-tado em função de em que:∆T (K) é a diferença entre a tempe-ratura média do fluido de transferên-cia e a temperatura ambiente.GT (W/m2) é a radiação solar inci-dente no colector.η é assim representado pela equação:em que:c0 é o rendimento óptico (que é funçãoda transmissividade da cobertura, docoeficiente de absorção e da reflectivi-dade dos espelhos no caso de colec-tores concentradores).c1 , c2 são os coeficientes de perdas tér-micas, linear e quadrático; parâmetrosque caracterizam as perdas do colectorpara a atmosfera (incluem perdas porconvecção, condução e radiação).c1 (W/K m2); c2 (W/K2m2).2.2.2 COLECTORES DE VÁCUOEstes dispositivos permitem a eli-minação das perdas por condução econvecção através da remoção do arem torno do absorsor, de onderesulta o nome de colectores comvácuo. (Figura 6).2.2.3 COLECTORES DO TIPO CPC(concentradores estacionários)Outra forma de reduzir as perdasde um colector solar térmico é aredução da área de absorção emcomparação com a área de cap-tação, atendendo a que as perdastérmicas são proporcionais à áreade absorsor e não à área de captação(abertura). A concentração podeobter-se utilizando reflectores queforçam a radiação, incidente comum ângulo inferior a um determi-nado ângulo na abertura do colec-tor, a incidir no absorsor após umaou mais reflexões.A concentração da radiação solarpode obter-se aplicando os princí-pios da óptica não focante em quea relação entre a concentração e oângulo de abertura acima men-cionado (designado por ângulo deaceitação, θ) é a máxima permitidapelo princípios da física e é, parauma geometria bi-dimensional:Para um colector sempre esta-cionário, θ deve ser elevado, i.e., aconcentração deve ser baixa. Podedemonstrar-se que, para um con-centrador ideal, o ângulo deaceitação deve ser θ ≥ 30º sendo,em contrapartida a concentraçãoigual ou inferior a 2.Estes colectores são conhecidoscomo concentradores do tipoCPC (Compound Parabolic Con-centrator) (Figura 7) uma vez quea primeira configaração encon-trada para este tipo de colectores,isto é, verificando a relação acimaindicada, era uma combinação deparábolas. Os espelhos são pro-duzidos com a forma adequada ereflectem a radiação para oabsorsor.Os grandes ângulos de aceitaçãodestes dispositivos permitem-lhescaptar radiação directa e difusatal como acontece com os colec-tores planos. Este é um aspectointeressante deste tipo de con-centradores quando comparadoscom os concentradores quenecessitam de seguir o movi-mento aparente do Sol.2.2.4 COLECTORES PARABÓLICOSOs colectores com mecanismosde seguimanto do Sol são classifi-cados de acordo com a formacomo seguem o movimentoaparente do Sol:Figura6Colectordetubosdevácuo(CTV).Caixa1ParâmetrosdorendimentoinstantâneodecolectoressolaresFigura7RepresentaçãoesquemáticadeumcolectordotipoCPCcomabsorsortubular.————1Cmax=sin(θ)∆Τη=c0 -(c1+c2∆Τ)∗GΤ∆ΤGΤ
  • 17• Os colectores com um eixo derotação e foco linear podem seguiro Sol apenas acompanhando aaltura do Sol acima do horizonte.• Nos colectores com dois eixos derotação e foco pontual (pratosparabólicos, centrais de torre comheliostatos e fornos solares) osraios solares estão sempre perpen-diculares à superfície do colector.Estes colectores são habitual-mente utilizados em aplicaçõesque requerem temperaturas supe-riores a 400ºC.O colector com um eixo derotação mais característico é ocolector designado por cilindro-parabólico (CCP) (Figura 8). Oscolectores cilindro-parabólicosconstituem a tecnologia maismadura para produzir calor até400°C para produção térmica deenergia eléctrica ou para produçãode calor industrial. Os reflectorescom forma parabólica concentrama radiação solar directa noabsorsor colocado no foco linearda parábola. O absorsor é consti-tuído por um tubo com uma áreahabitualmente 25 a 35 vezes infe-rior à abertura. O fluido a aquecercircula através deste tubo. Os fluidosutilizados são água pressurizada ouóleo térmico.Os colectores cilíndro-parabólicostêm um coeficiente de perdas tér-micas muito baixo e estão por-tanto bem adaptados para apli-cações a temperaturas elevadas. Acaptação de radiação solar difusapor estes colectores, é limitada.No entanto, devido ao mecanismoque lhes permite o acompanha-mento aparente do movimento doSol, captam radiação directa sem-pre com incidência normal, o quenão acontece com os colectoresestacionários.Nos anos 90, nos EUA foram insta-lados diversos sistemas com áreasentre 500 m2 e 2 500 m2 que apre-sentam um funcionamento regulare fiável ao contrário de casos ante-riores. Nos últimos anos, váriasempresas iniciaram a venda decolectores cilindro-parabólicospara uma gama de temperaturasentre 50°C – 300°C. Dois projec-tos de arrefecimento solar comcolectores cilindro-parabólicos, emBarcelona (Espanha) e em Alanya(Turquia), iniciam o seu funciona-mento em 2001.2.3 CO N C E P Ç Ã O D E SI S T E M A SSOLARES TÉRMICOS2.3.1 INTRODUÇÃOUma instalação solar industrial éformada por um campo de colec-tores solares nos quais circula umfluido, água ou água com glycol(circuito primário). A circulaçãodo fluido é controlada por um dis-positivo dependendo da intensi-dade da radiação solar incidentenos colectores. Um permutadorpermite a transferência de energiatérmica, resultante da conversãoda radiação solar nos colectores,que pode ser utilizada para aque-cer líquidos, ar ou produzir vapor.O acoplamento do sistema solar aosistema de aquecimento conven-cional pode ser feito em diferentespontos: acoplamento directo a umprocesso, pré-aquecimento de águaou geração de vapor no sistemacentral. (Figura 9).Em muitas indústrias as necessi-dades de aquecimento são tão ele-vadas que não há necessidade dearmazenamento da energia cap-Figura8Colectorcilíndro-parabólicocomeixoorientadoEste-Oeste.Figura 9 Possibilidades para o acoplamento do sistema solar com o sistema de aquecimento convencional.
  • 18tada pelo sistema solar. Isto per-mite instalar sistemas solares demuito baixo custo uma vez quesão eliminados os custos doarmazenamento de energia.O caso mais simples é aquele quecorresponde a um sistema solarfornecendo energia a um processoindustrial em funcionamento con-tínuo e com uma carga constante(ou pelo menos durante grandenúmero de horas do período defuncionamento) e superior aosganhos solares (processo funcio-nando pelo menos 12 horas pordia no período diurno).Nestes casos, o sistema solar podeser projectado sem armazena-mento. O calor solar produzidoalimenta directamente o processoou o sistema de aquecimento con-vencional. Na Figura 10 pode ver--se uma respresentação esquemáticade um sistema deste tipo.O sistema representado é um sis-tema indirecto, uma vez que a uti-lização de fluidos especiais, paraprotecção do colector e dos mate-riais que o constituem contra ocongelamento e a corrosão, impõea utilização de um permutadorpara separar o circuito dos colec-tores (circuito primário) do cir-cuito de consumo.2.3.2 SISTEMAS SOLARES INDUS-TRIAIS COM ARMAZENAMENTO DEENERGIASe, como é frequentemente co-mum, o processo industrial fun-ciona só 6 ou 5 dias na semana, i.é, não funciona no fim de semana,o sistema pode ser projectado con-siderando o armazenamento daenergia captada durante o fim desemana. Esta será utilizada duranteos restantes dias da semana.O armazenamento será tambémnecessário se se verificarem grandesflutuações nas necessidades deenergia para o processo industrialdurante os períodos de funciona-mento (picos de carga, pequenosintervalos de paragem do processo)A representação esquemática de umsistema solar térmico com arma-zenamento é feita na Figura 11.2.4 AVA L I A Ç Ã O TÉ R M I C A EECONÓMICA DOS SISTEMASOs sistemas solares são utilizadosnos processos industriais para per-mitir a poupança de energia con-vencional. É possível determinar aenergia poupada recorrendo amétodos de cálculo adequados.Para exemplificação considerou-seum sistema sem armazenamentocomo o descrito em 2.3.1. Este sis-tema é constituído por um campode colectores (com uma área brutade 1000 m2) e pelos dispositivosnecessários à circulação e controlodo fluido de transferência noscolectores. A energia média anualfornecida, foi determinada por ummétodo de simulação dinâmica,com o programa TRNSYS.Nos casos em que se consideraramcolectores estacionários, estesestavam orientados na direcção Sule com uma inclinação de aproxi-madamente 30º que dependia dalatitude do local de instalação.A Figura 12 mostra a energiamédia anual fornecida para trêslocais e para cinco tipos de colec-Figura10Sistemasolarsemarmazenamento.Figura11Sistemasolarcomarmazenamento.
  • 19tores já mencionados. A energiafornecida é representada emfunção da temperatura deprocesso, i.é, da temperatura dofluido na saída do colector.É possível observar que a energiafornecida diminui quando a tem-peratura aumenta. Os colectoresplanos comuns (CSP) apresentam,para todos os locais, um fracocomportamento para tempera-turas superiores a 60ºC. Estescolectores são, no entanto, aescolha de mais baixo custo paraas aplicações industriais com tem-peraturas de processo baixas.Para temperaturas acima de 100ºCos colectores mais interessantessão os de tubos de vácuo (CTV) eos colectores cilindro-parabólicos(CCP). Para temperaturas médiasabaixo de 100ºC, podem utilizar-se CPCs sem vácuo ou colectoresplanos com vácuo (CPV).Deve referir-se que estes valores sãoválidos considerando que não hádesperdício de energia fornecidapelo sistema solar. Isto significa quetoda a energia produzida é utilizadadirectamente no processo e semnecessidade de armazemento. Ocomportamento térmico de sis-temas reais será ligeiramente infe-rior a este, dependendo da variaçãotemporal da carga.Com base nestes resultados foifeita uma avaliação económica dossistemas, considerando os custosestimados, por área de colectoresinstalada, indicados no Quadro 5.O custo dos sistemas foi estimadocom base nos preços dos colec-tores solares indicados pelos fabri-cantes. Considerou-se que o custodo campo de colectores (inclu-indo montagem, fundações, estru-tura de apoio e tubagens nocampo de colectores) correspondea 80% dos custos totais. O adi-cional de 20% corresponde àtubagem até ao processo, permu-tadores de calor, bombas, disposi-tivos de controlo e projecto. Estescustos são válidos para grandesáreas de colectores (≥1000 m2).Na Figura 13 estão representadosos custos de energia em Euro/kWhàs temperaturas de processo de60°C, 100°C, 150°C e 200°C, paraos mesmos locais da Figura 12. Oscustos de energia foram calculadosconsiderando os custos de investi-mento do campo de colectorescomo indicados no Quadro 5.Considera-se uma anuidade de10.5% (15 anos de tempo de vida,6% de taxa de juro). Considera-seainda que os custos de manutençãosão 2.5 Euro/m2 ano para colec-tores estacionários e sobem até 5Euro/m2 ano para colectores cilin-dro-parabólicos.Os custos da energia fornecidapelo sistema solar, no caso dassoluções mais económicas paracada gama de temperaturas, variamentre 0.04 Euro/kWh e 0.22Euro/kWh dependendo principal-mente do clima e das temperaturasde processo. As condições climáti-cas têm que ser cuidadosamenteanalisadas na fase de projecto.As aplicações para temperaturasinferiores a 150ºC fornecem ener-gia a custos significativamentemais baixos do que as aplicações atemperatures mais elevadas. Nosclimas do centro e norte da Penín-sula Ibérica (por exemplo, Bar-celona, Lisboa ou Madrid) os cus-tos podem ser inferiores a 0.08Euro/kWh para temperaturas de100°C. Nos climas do Sul de Por-tugal e Espanha é possível for-necer energia a custos inferiores a0.04 Euro/m2.Figura 12 Energia média anual fornecida para 3 locais, em função da temperatura do processo. Todos os valores são referidosà área bruta do colector.PlanoCPCCilindro-ParabólicoPlano c/ VácuoTubos de vácuoTubos de vácuo c/ CPCTipo de Colector275300312.5400437.5437.5Custo do investimento[Euro/m2]Quadro5Custostotaisdoinvestimentoparasistemassolaresporáreabrutadecolector.Figura 13 Custo da energia para 3 sistemas a diferentes temperaturas de processo. Só foram considerados custos de energiainferiores 0.5 Euro/kWh.
  • 202.5 PROJECTOS EXISTENTESA partir dos anos 80, foram insta-lados alguns sistemas solares térmi-cos para aplicações industriais,cuja listagem é feita nos Quadros 6e 7; alguns deles encontram-se, noentanto, já fora de funcionamento.Na Figura 14 podem ver-sefotografias de dois dos sistemassolares térmicos para aplicaçõesindustriais que ainda estão emfuncionamento.3. REGRAS BÁSICAS PARA AVALIA-ÇÃO DE VIABILIDADE E PROJECTODE SISTEMAS SOLARESNas secções seguintes são dadasalgumas regras básicas para ava-liação da viabilidade e para o pro-jecto de sistemas solares térmicospara aquecimento industrial. NoQuadro 9 é apresentado umresumo dos critérios de avaliaçãode viabilidade.3.1 ANÁLISE DE VIABILIDADE –CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃONesta secção são considerados osaspectos mais importantes a ter emconsideração na avaliação de viabi-lidade dos sistemas solares térmicospara produção de calor industrial.3.1.1 SELECÇÃO DOS PROCESSOS(INTERFACES) MAIS ADEQUADOS PARAACOPLAMENTO DO SISTEMA SOLAR.Um primeiro passo no estudo deviabilidade é a selecção da inter-face mais adequada para acopla-mento do sistemas solar ao sis-tema de aquecimento já existente.Os critérios de selecção são osseguintes:• Baixo nível de temperatura. Ossistemas solares para produção deenergia a temperaturas superioresa 150ºC são técnicamente pos-síveis mas são de mais difícil via-bilização económica. São prefe-ríveis as solução de aquecimento abaixa temperatura (<60ºC).• Distribuição temporal do con-sumo. O consumo contínuo épreferível (caso contrário existenecessidade de armazenamento)• Possibilidade técnica de intro-dução de um permutador de calorentre o sistema solar e o circuitode aquecimento já existente.Sempre que possível, é preferível oacoplamento directo do sistemasolar a um ou mais processos indus-triais, uma vez que as temperaturasde funcionamento são, neste caso,mais baixas (ver secção 2.3).O acoplamento directo a umprocesso pode ser feito, essencial-mente, de duas formas:O (pré-)aquecimento de um fluidoem circulação (e.g. água de alimen-tação do processo, retorno de umcircuito fechado, pré-aquecimentode ar, ...). Esta possibilidade existese a circulação do fluido é contínuaou periódica (e.g. renovação perió-dica de água de banhos). Se a cir-culação é descontínua é necessárioum depósito de armazenamento.Aquecimento de banhos líquidosou câmaras de aquecimento(secagem...). Neste caso o con-sumo de energia pode dividir-seem consumo para aquecimentoaté à temperatura de início doprocesso – que ocorre de formaconcentrada no início do dia ouque ocorre periódicamente depoisde cada renovação do conteúdo defluido – e no consumo paramanutenção de temperaturadurante o processo, que corres-ponde de um modo geral a umconsumo constante durante operíodo de funcionamento.Os permutadores de calor exis-tentes para aquecimento dos ba-nhos utilizam vapor a tempera-turas demasiado elevadas para umsistema solar. A introdução de umpermutador de calor adicional nosbanhos nem sempre é possível, de-vido à falta de espaço ou a outrasrestrições técnicas. Nessas situaçõespode utilizar-se um permutador decalor externo em associação comuma bomba circuladora.Figura 14 Instalações solares para produção de calor industrial que se encontram em funcionamento: (esquerda)Fábrica da Knorr, Portugal; (direita) Produção de água quente com colectores Cilidro-parabólicos, Califórnia, EUA.
  • 21ACDFFAIRFAXMACONPASADENASAN ANTONIOCHANDLERTEHACHAPIAdams CountyDetention FacilityCalifornia CorrectionalInstitutionBrighton(Colorado)AlabamaGeorgiaCaliforniaTexasArizonaTehachapi(California)1980Dec-83725900100001000115056202676260150SecagemTeixteisLavandariaProdução de malteÁgua de processoAcrónimo Empresa(utilizador do sistema)Local Ano início defuncionamentoProcesso Área decolectoresm2 0CTemperatura (à saídacampo colectores)Informação GeralESPANHAInformação do Processo Informação do Sistema SolarLACTARIACASTELLANACARCESAENUSABENIDORMARINAGAACUINOVACARTETE-PELactaria EspañolaCarnes y ConservasEspañolas S.A.Empresa Nacional deUranio S.A.HotelAcuinova Andalucia S.A.Autoclavados Carte S.A.TE-PE S.A.Alcorcón(Madrid)Merida(Badajoz)Juzbado(Salamanca)BenidromGran CanariaHuelvaHuelvaSevilla19811982definitivamente 198519851992199619941997600102410804503601316138260180 / 22018018090120Processamento de vaporpara esterilizaçãoEsterilização de carnes(vapor para apoio)Produção de frio com máquinade absorçãoAquecimento de água,areferimento, aquecimentoDessalinização de águaProdução de peixeLavagem de cisternas, carros,etcAzeitonas,pre-aquecimento de águaPORTUGALUCAL, AGUADE MOURAVIALONGAKNORRUCALSociedade Central decervejasKnorr Best Foods S.A.Águas deMouraVialongaQuinta doMendanha,Carregado1985198519871120192.844028065Produção de lacticíneosProdução de cervejaÁgua quente para lavagem deutensíliosPISTICCISWISS:HATTWILLSWISS:HALLAUTARGASSONNEACHAIACLAUSALPINOKASTRINO-GIANNISKOZANIMANDREKASMEVGALSARANTISTRIPOU-KATSOURIDRESDENVinejardAchaia Clauss, S.A.Alpino S.A.Kastrinogiannis S.A.Kozani Greenhouses S.A.Mandrekas S.A.Mevgal S.A.Sarantis S.A.Tripou-Katsouri S.A.Stadtreinigung DresdenGmbHPisticci (Italy)Hattwill (Swiss)Swiss: HallauTargassonne(France)Patras (Greece)Thessaloniki(Greece)Heraklion(Greece)Kozani(Greece)Korinth(Greece)Thessaloniki(Greece)Oinofita(Greece)Athens(Greece)Dresden(Germany)19881983199320001993199419932000199819931998172840050077030857618080170727270030815128090140280Indústria químicaIndústria alimentar: fábrica deenchidos (secagem)Indústria alimentar:pasteurizaçãoProdutor de vinho: lavagem degarrafasLacticíneos:pre-aquecimento deágua para produção de vaporTintagem e acabamentos naindústria textil;pre-aquecomentode água para caldeira a vaporEstufas; AquecimentoambienteLacticíneos; Produção deIogurteDairy;preheating of water forsteam boiler; washing machineArmazem para cosméticos;máquina de absorçãoCurtumes; pré-aquecimento deágua para o gerador de vaporRESTO DA EUROPAE.U.A.Quadro6SistemassolaresindustriaisemEspanhaePortugal.Quadro7Sistemassolaresindustriaisnoutrospaíses(restanteEuropaeEUA).
  • 22Se os banhos de processo estãobem isolados podem ser utilizadoscomo depósitos solares. Por exem-plo, manter a temperatura dosmesmos com a energia fornecidapelo sistema solar durante o fim--de-semana (processo parado)pode reduzir os consumos deenergia para o arranque na manhãde segunda-feira.Em quase todas as indústrias épossível o acoplamento do sistemasolar ao sistema de aquecimentoconvencional já existente. Istopode ser feito, quer por pré-aque-cimento da água de alimentaçãopara as caldeiras ( neste caso onível de temperatura aumentacom o aumento da recuperação decondensados) ou utilizando umsistema solar que produza vapor.Este último só é recomendado paraindústrias que utilizem vapor abaixa pressão (2 – 3 bar) e em cli-mas com elevados níveis de radia-ção. As linhas convencionais devapor (7 – 8 bar) funcionam a tem-peraturas demasiado elevadas paraum funcionamento económico dossistemas solares.3.1.2 IN F LU Ê N C I A D A T E M P E -RATURA DE FUNCIONAMENTO.No capítulo 2 mostrou-se a influên-cia da temperatura de funciona-mento na energia solar térmicafornecida por um sistema solar.Pode afirmar-se, como regrabásica que os sistemas solares sósão recomendados para tempera-turas acima dos 100ºC em regiõescom elevados níveis de radiação(regiões do Sul e Centro da Penín-sula Ibérica). Nas regiões doNorte devem considerar-se apenassistemas para aplicações a baixatemperatura.Deve ter-se em conta que a tem-peratura de funcionamento do sis-tema solar é sempre um poucosuperior à necessária ao processo,devido a perdas na tubagem e àqueda de temperatura nos permu-tadores. Em sistemas com boaconcepção esta diferença de tem-peratura pode ser inferior a 10K.No caso de pré-aquecimento deum fluido ou de um banho, a tem-peratura média de funcionamentodo sistema solar é inferior à tem-peratura final necessária aoprocesso. Quanto menor for afracção solar (percentagem doconsumo coberto pelo sistemasolar), menor é a temperaturamédia de funcionamento. Parafracções solares muito baixas, atemperatura média de funciona-mento é próxima da temperaturado fluido na entrada ou retorno.3.1.3 CONTINUIDADE DA CARGA EARMAZENAMENTOOs sistemas solares devem ser con-cebidos de modo a que se veri-fique um consumo de 100% daenergia por eles fornecida (demodo a não de observarem des-perdícios de energia fornecidapelo sistema solar), o que significaque a carga deve ser sempre supe-rior a um valor máximo de energiafornecida pelo sistema solar.Caso contrário, não havendoarmazenamento, a energia útilfornecida pelo sistema solar éinferior à que potencialmentepoderia fornecer nas condiçõesacima indicadas.Pequenos desajustes do consumo(perfil de consumo diário) podemser amortecidos por um pequenoarmazenamento (até 25 l porunidade de área de colectoresinstalada) o que não tem umefeito significativo de aumento docusto do sistema (Figura 15).O armazenamento de energia emparagens de um ou mais dias (fins--de-semana, férias) é mais dis-pendioso. Para um armazena-mento equivalente a um fim desemana de dois dias, sãonecessários 250 litros por m2 decolector. O armazenamento defim-de-semana não é recomen-dado para pequenos sistemas.Figura15Pequenosdesajustesentreoconsumoeaenergiasolardisponível.
  • 23Pode fazer-se uma estimativa sim-plificada da energia média anualfornecida por um sistema real semarmazenamento com base naexpressão:Q real = Q ideal * n dias / 365Em que Qi d e a l são os ganhossolares para um sistema ideal com100% de utilização da energiafornecida e ndias é o número dedias de funcionamento do pro-cesso por ano.No entanto, se as férias forem con-centradas no período de Verão –período onde o potencial solar é má-ximo – a redução de ganhos solaresé subestimada por esta equação.Sistemas que tenham apenas umautilização sazonal (inferior a 6meses de funcionamento no ano),são geralmente económicamenteinviáveis.3.1.4 ZO N A S C L I M Á T I C A S N APENÍNSULA IBÉRICA.Na Figura 16, está representada adistribuição da radiação solar globalincidente numa superfície horizon-tal, para a Península Ibérica.As regiões geográficas com muitoboas condições meteorológicas(H > 1600 kWh/m2.ano) são: Centroe Sul de Portugal, Andalusía,Múrcia, Valência, Zona Centro deEspanha. Observam-se níveismédios de radiação (1400 …1600 kWh/m2.ano) na Catalunha,Galiza e Norte de Portugal. Os va-lores baixos de radiação (H <1400 kWh/m2.ano), comparáveisaos dos climas da Europa Central,são predominantes na CostaAltlântica do Norte de Espanha.No que se refere às ilhas atlânticasespanholas e portuguesas, observa--se um nível elevado de radiação nasCanárias, um nível médio (cerca de1600 kWh/m2 ano) na Madeira eum nível baixo nos Açores.No Capítulo 2 foi possívelmostrar a forte influência dascondições climáticas nos ganhossolares médios anuais.3.1.5 RESUMO DOS CRITÉRIOS DEAVALIAÇÃO.Na Figura 17 é possível observar ainfluência da combinação dediferentes factores: nível da tem-peratura de funcionamento, con-tinuidade da carga (consumo) enível da radiação solar. Repre-senta-se o custo da energia solarpara diferentes indústrias emfunção destes factores.Podem obter-se custos razoáveis daenergia (20 - 60 Euro/MWh, semfinanciamento do estado) em sis-temas para temperaturas baixas(<60ºC) mesmo em condições nãoóptimas (níveis médios de radiaçãosolar ou consumo descontínuo).Só se recomendam os sistemas paratemperatures acima de 100ºC, acustos actuais, se todas as outrascondições forem favoráveis (radi-ação solar elevada e carga contínua).Um factor adicional importante aconsiderar é a dimensão do sis-tema solar. Os custos dos sistemasde pequena dimensão (< 100 m2)podem ser 50% superiores aos cus-tos de grandes sistemas (> 1000 m2),com o correspondente aumentodo custo da energia.3.2 REGRAS BÁSICAS PARA O PRO-JECTO DE SISTEMAS.3.2.1 CAMPO DE COLECTORESA selecção de um colector adequadodepende básicamente das tempera-turas de funcionamento. Devemtambém ser considerados outrosaspectos como a possibilidade deintegração na cobertura (telhado)ou a dimensão do sistema.Figura16Radiaçãosolarglobalincidentenasuperfíciehorizontal(H)naPenínsulaIbérica.Fonte:Meteonorm.Figura 17 Custo da energia útil para diferentes sistemas em função da temperatura média anual defuncionamento. Cores: radiação solar muito elevada (escuro), elevada (branco), média (tom médio). círcu-los: sistemas com carga contínua. losangos: sistemas com carga contínua durante a semana e paragem no fim-de-semana; triângulos: sistemas com funcionamento sazonal.
  • 24O Quadro 8 dá uma orientaçãopara a selecção dos colectores maisadequados.A área de colectores necessária podeser estimada a partir dos resultadosapresentados no Capítulo 2. Osganhos máximos médios anuais quepodem ser obtidos com um sistemasolar térmico variam entre 350 a1100 kWh/m2, dependendo dolocal de instalação e da temperaturade funcionamento. Para um pro-jecto detalhado do sistema, devemutilizar-se simulações dinâmicas dofuncionamento do sistema tendoem conta o perfil de consumoespecífico. A potência térmica depico de um colector solar é aproxi-madamente 500 W/m2 para sis-temas funcionando a temperaturamédia e 1000 W/m2 para sistemasa baixa temperatura.Na Península Ibérica, a instalaçãodos colectores com uma incli-nação de 30º e uma separaçãoentre filas de, pelo menos, 1.5vezes a altura bruta dos colectores,corresponde à obtenção de ganhosmédios anuais óptimos porunidade de área de colectores.Neste caso a razão entre a áreabruta de colectores e a área deimplantação dos colectores é infe-rior a 2/3. Se existe uma área li-mitada para a implantação doscolectores (telhado, terraço outerreno anexo) estes poderão serinstalados com uma inclinaçãoinferior de modo a aumentar osganhos solares. No entanto, paracolectores com cobertura (vidro)é recomendado um limite mínimopara a inclinação de 20º, aten-dendo à possibilidade de limpezada cobertura com o efeito dachuva e também à estanquicidadedo colector. É aceitável um desvioda orientação Sul até 45º que con-duz a cerca de 10 % de redução naenergia fornecida pelos colectores.Com um cálculo adequado do cau-dal, do diâmetro da tubagem e doisolamento da mesma, os con-sumos de energia eléctrica nasbombas circuladores podem serinferiores a 1% dos ganhos solares.As perdas térmicas na tubagemnão devem ultrapassar os 5% dosganhos solares para sistemas demédia e grande dimensão.Os ganhos solares são superioresse os caudais no sistema solar e noconsumo forem próximos. Devepôr-se a hipótese de haver umaregulação do caudal no campo decolectores (e.g. caudais variáveis).Podem melhorar-se os ganhossolares até 20%, considerando ainstalação de um by-pass para pré-aquecimento do circuito primárionas primeiras horas da manhã e aextracção de calor residual depoisdo pôr do sol, utilizando um con-trolo adequado do sistema solar.3.2.2 ARMAZENAMENTONo Capítulo 2 foi feita uma intro-dução aos sistemas solares térmi-cos com armazenamento.Quando existe um desajuste tempo-ral entre disponibilidade de radia-ção solar e a ocorrência de consumorecomenda-se a utilização de umarmazenamento de curto prazo.Para este armazenamento de curtoprazo (algumas horas) recomenda-se um volume de 25 litros/m2.Este armazenamento de curtoprazo pode ser adequado tambémpara processos com um funciona-mento contínuo, com o objectivode baixar a temperatura média defuncionamento do sistema solar,aumentando o seu rendimento,especialmente quando se utilizamcolectores de baixo custo mas comperdas térmicas elevadas.Quanto maior for a dimensão dosistema, mais eficaz é o armazena-mento para períodos de tempo maislongos (p.exemplo, fins de semana).O armazenamento de fim de sema-na torna-se económico a partir de500 m2 de área instalada. Os volu-mes de armazenamento de fim-de-semana devem ser da ordem de 250litros/m2. Neste caso, os custos doarmazenamento serão cerca de 10 -20% do custo total do sistema. Oarmazenamento para períodos maislongos (armazenamento sazonal) sópode ser considerado para áreasmuito grandes (> 5000 m2).Quadro8Selecçãodotipodecolectordeacordocomatemperaturadefuncionamento.GAMA DE TEMPERATURA< 40 ºC40 – 70 ºC70 – 100 ºC> 100 ºCPROCESSOColectores sem cobertura ou colectores planos comuns de baixo custo.Colectores planos selectivos ou colectores do tipo CPC.Colectores do tipo CPC, colectores de tubos de vácuo ou outroscolectores estacionários de rendimento elevado.Colectores concentradores para sistemas de média e grande dimensão.Colectores concentradores, colectores de tubos de vácuo com CPC.
  • 253.2.3 ACOPLAMENTO À CENTRALDE AQUECIMENTO JÁ EXISTENTE EREGULAÇÃO.O acoplamento à central de aque-cimento existente deve ser sempreconsiderado para a temperaturamais baixa possível. No entanto,no pré-aquecimento de ar ou delíquidos, o aquecimento solardeve ser introduzido depois de umprimeiro pré-aquecimento porrecuperação de calor de um eflu-ente do processo e não como umaalternativa a estes sistemas.Mesmo que a recuperação de calordo efluente aumente a tempe-ratura de funcionamento do sis-tema solar, a combinação dos doissistemas permite a obtenção demelhores resultados do que a uti-lização do sistema solar a maisbaixa temperatura sem a recupe-ração de calor do efluente.Quando a energia fornecida pelosistema solar é distribuída porvários processos, deve escolher-seuma estratégia de controlo de modoa obter uma poupança de energiaóptima. Na maioria dos casos amelhor escolha é o fornecimento daenergia do sistema solar ao processoa mais baixa temperatura, mas emalguns casos, se for dada preferênciaà produção de calor para tempera-turas mais elevadas nas horas cen-trais do dia, podem obter-se me-lhores resultados.A estratégia de controlo deve seroptimizada em cada caso especí-fico utilizando técnicas de simu-lação dinâmica.3.2.4 SISTEMAS SOLARES TÉRMICOSE COGERAÇÃO.Como regra geral, pode afirmar-seque os sistemas solares térmicosdevem ser concebidos como umsistema complementar à central decogeração, cobrindo as restantesnecessidades de aquecimento.Apenas em alguns casos podem ossistemas solares ser consideradoscomo sistemas alternativos para ofornecimento de energia térmica.O encerramento de uma centralde cogeração nos períodos em queexiste maior disponibilidade deradiação solar implicaria umaumento da energia eléctricafornecida pela rede nesse período.Na Figura 19 compara-se apoupança em energia primáriadevido à produção de 1000 MWhde calor necessário ao processopor um sistema solar térmico oupor cogeração, em substituição deuma caldeira a vapor conven-cional. Foi tida em conta apoupança de energia primáriadevido à produção de electrici-dade utilizando como referência orendimento médio do actualfornecimento de energia eléctrica(cerca de 35%). Considera-seainda, a possibilidade de pro-dução simultânea de calor e elec-tricidade por sistemas solares tér-micos assumindo um rendimentode conversão de 30 % de energiatérmica para energia eléctrica.Pode verificar-se que, em com-paração com uma central decogeração, o sistema solar só per-mite a poupança de energiaprimária se, o rendimento de con-versão for inferior ao rendimentomédio da rede eléctrica, ou se osistema solar também produzirenergia térmica e eléctrica.Figura18Combinaçãodesistemassolarestérmicoscomarecuperaçãodecalordeefluentes.Figura 19 Poupança em energia primária em relação a uma caldeira de vapor convencional, para1000 MWh de calor de processo produzido quer por um sistema solar térmico quer por cogeraçãoRendimento de conversão (eléctrica) para (a) centrais de cogeração (ciclo combinado) de elevadorendimento: 50 %; (b) centrais de cogeração de baixo rendimento: 25%.
  • 264. ESTUDO DE CASOSNo quadro do projecto POSHIPfoi levado a cabo o estudo de casosem mais de 20 empresas, emEspanha e em Portugal, quemostraram interesse na aplicaçãoda energia solar térmica nas suasempresas.Com base na análise detalhada dasnecessidades de calor (e frio) dasindústrias, foi proposto o sistemasolar mais apropriado a cada caso.Foi feita, para cada caso, uma esti-mativa dos ganhos de energiaanual com base em simulaçõesdinâmicas do sistema (TRNSYS)e uma análise económica.É apresentada de seguida umadescrição de alguns dos sistemasseleccionados. No Quadro 10pode ver-se um resumo geral. NaFigura 20 pode ver-se a localizaçãogeográfica das fábricas propostaspara projectos de demonstração.4.1 FÁBRICA DE MALTE, ANDALUZIA(ESPANHA)A fábrica de malte localiza-se naprovíncia de Sevilha, no Sul deEspanha. O malte produzido éutilizado na produção de cervejana mesma fábrica.Cerca de 80% do consumo decalor e frio na fábrica de malte éutilizado para aquecimento de arpara secagem do malte (ar quentea cerca de 60ºC). A maior partedos restantes 20% é utilizada paraarrefecimento do ar no processode germinação.O perfil das necessidades de calornesta fábrica é ideal para a imple-mentação de um sistema solar:• A necessidade de calor deprocesso é alta e contínua duranteos 7 dias da semana e as 24 horasdo dia, pelo que quase toda aenergia solar captada pode ser uti-lizada directamente no processosem necessidade de grandes vo-lumes de armazenagem.• As temperaturas exigidas sãomuito baixas. O ar é pré-aque-cido pelo sistema solar apenasalguns graus acima da tempe-ratura ambiente.• A fábrica localiza-se numaregião com uma alta radiação solar(1770 kWh/m2.ano).• Os custos da energia são um fac-tor significativo de custo noprocesso de produção do malte,pelo que a redução do consumo deenergia pode ajudar a aumentar acompetitividade.É proposto um sistema solar parao pré-aquecimento do ar para oprocesso de secagem do malte.Quadro9Critériosdeavaliaçãodesistemassolaresparaaquecimentoindustrial.CRITÉRIOTemperatura de funcionamentoClimaContinuidade do consumoDistribuição anualDistribuição diáriaDimensão do sistemaGanhos solares anuaisFracção solarÁrea de solo ou telhadodisponíveisAspectos de resistência estáticado telhadoRecuperação do calor deefluentes e cogeraçãoINFUÊNCIA NO COMPORTAMENTO DO SISTEMATemperaturas não superiores a 150 ºC, melhor comportamento abaixo de 100 ºC.No Sul e Centro da Península Ibérica existem muito boas condições. Nas regiões com níveis médios e baixos deradiação (H < 1600 kWh/m2) pode considerar-se a instalação deste tipo de sistemas, se todas as outras condiçõesforem favoráveis (baixa temperatura de funcionamento, consumo constante).As paragens no Verão afectam o comportamento do sistema. As perdas dos potenciais ganhos solares sãoproporcionais à duração dos períodos de paragem.São favoráveis os consumos contínuos ou com picos no período diurno. As pequenas interrupções (algumas horas)podem ser amortecidas utilizando um armazenamento de pequeno volume que implica um pequeno acréscimo docusto do sistema.A viabilidade económica dos sistemas solares térmicos depende muito da dimensão do sistema. O custo da energiafornecida pelo sistema solar nos grandes sistemas (> 1000 m2, potência solar de pico > 0.5 MW), pode ser cercade 50% inferior ao dos pequenos sistemas (< 100 m2, potência solar de pico < 50 kW).Para garantir a viabilidade económica, os ganhos anuais de um sistema solar devem ser de pelo menos 500 kWh/m2.Os sistemas devem ser projectados para terem Fracções Solares não superiores a 60% (para consumos contínuos).Deve existir uma disponibilidade de área de instalação no solo ou em telhado que permita obter Fracções Solaresentre 5 to 60 %. A orientação dos colectores virados a Sul e com inclinações de aproximadamente 30º é óptima.São aceitáveis pequenos desvios relativamente a estes valores(±45º relativamente à direcção Sul), (±15º dainclinação óptima). Devem ser evitados grandes comprimentos de tubagem.A necessidade de reforçar a estrutura de suporte do telhado aumenta o custo do sistema e reduz a viabilidadeeconómica. A carga estática devida à instalação de colectores é de 25 – 30 kg/m2 para colectores comuns.Numa primeira fase, devem ser exploradas todas as possibilidades de melhorar o rendimento energético doprocesso industrial por aproveitamento do calor de efluentes e por cogeração. Os sistemas solares devem serconcebidos de modo a cobrir (parte das) as restantes necessidades de aquecimento.Figura20Localizaçãogeográficadasfábricaspropostasparaprojectosdedemonstração.Figura21Distribuiçãodocalordeprocessonafábricademalte.
  • 27Um permutador de calor adi-cional água quente–ar será insta-lado em frente do permutador decalor existente que utiliza vapordo sistema de fornecimento decalor convencional.O sistema solar consiste numcampo de colectores solares comuma superfície total de 5000 m2,e um tanque de armazenagem de1000 m3. Os colectores solaresserão integrados na estrutura dotelhado com configuração emdente de serra formando um "te-lhado solar" estanque à chuva.4.2 Maltibérica – Sociedade Pro-dutora de Malte S.A.(Portugal)A MALTIBERICA é uma empresaluso-espanhola que produz maltepara as cervejeiras pertencentes aoGrupo UNICER em Portugal e quetambém exporta para Espanha.Se bem que esteja localizada pertode uma zona muito industrializadade Portugal, a Península de Setúbal,a cerca de 50 km de Lisboa, nãoexistem outras fábricas nas proxi-midades da fábrica estudada,aumentando as dificuldades para aextensão da rede de gás natural aesta área. Como resultado, é muitoQuadro10Listadosparâmetrosmaisrelevantesdosprojectosdedemonstraçãopropostos,descritosnassecções4.1a4.4.EMPRESA /SECTOR /PAÍSCruzcampoFábrica de MalteSevilha, EspanhaMalte Ibérica, S.A.Fábrica de MaltePoceirão, PortugalBeiralã Lanifícios, S.A.Fábrica de TêxteisSeia, PortugalBodegas Mas MartinetAdegaTarragona, EspanhaPROCESSOPré-aquecimento do arpara secagem do maltePré-aquecimento do arpara secagem do maltePré-aquecimento deágua em processo detinturariaArrefecimento de cubasde vinho e aquecimentoambienteGAMA DE TEMPERATURASDE SERVIÇOBaixa temperatura(10 – 80 ºC)Baixa temperatura(20 – 60 ºC)Baixa temperatura(20 – 80 ºC)Média temperatura(50 – 85 ºC)TIPO DE COLECTOR(**)CSP com ou semcoberturaCSP or CPCCSP or CPCCPCÁREA DE COLECTORESPROJECTADAm250003500175060CUSTO ESTIMADOEuros1 320 000960 000525 00055 000 (*)Quadro 11 Dados característicos do sistema solar proposto.EmpresaLocalizaçãoSector de produçãoProcessoTemperatura de serviçoÁrea de colectores solaresTipo de colectorVolume do depósitoGanho solar anual (calor útil)Fracção solarInvestimento totalContribuição da empresaPoupança anualReembolsoCruzcampo MalthouseSevilha, EspanhaFábrica de MaltePréaquecimento do ar para secagem do malte10 – 80 ºC5 000 m2Colectores selectivos sem cobertura , integrados numtelhado com estrutura em dente-de-serra1000 m34770 MWh / ano7 %1 320 000 Euros410 000 Euros105 000 Euros4 anosFigura 22 Esquema do sistema solar proposto.
  • 28caro mudar a actual utilização degrande quantidade de fuelóleopesado (thick fuel) para uma fontede energia convencional mais limpa.A fábrica produz malte, passandopor 3 fases até ao final do processo:1a fase: Humidificação da cevada2a fase: Germinação do malteverde (frio)3a fase: Secagem do malte (calor)A maior parte do consumo deenergia é utilizado na produção devapor sobreaquecido (180 ºC, 14bar), o qual é dissipado nos per-mutadores de calor água-ar quepromovem a secagem do malte(60-80 ºC). Uma pequena parte éconsumida para a manutenção datemperatura apropriada do thickfuel no depósito. A fábrica é umaunidade moderna (com menos de10 anos) e incorpora no seu pro-jecto medidas de recuperação decalor que aumentam o potencialde utilização de energia solar,quando consideradas novas acçõesde poupança de energia.Existem vários factores na fábricafavoráveis à implementação de umsistema solar:• A fábrica está em operaçãodurante todo o ano: 24 horas/dia,7 dias/semana, 52 semanas/ano;• A energia pode ser utilizada emsimultâneo com a sua captação, oque evita a necessidade do seuarmazenamento;• A energia solar é utilizada a umnível de temperatura baixa, parapré-aquecimento do ar exteriorpara secagem;• A fábrica localiza-se num sítiocom muito boas condições deinsulação anual: mais de 2800 hde luz solar e 1720 kWh/(m2 ano).• O sistema solar ficará total-mente independente do sistemaconvencional existente.4.3 BEIRALÃ – LANIFÍCIOS S.A.(PORTUGAL)A BEIRALÃ é uma fábrica têxtilportuguesa, que produz peças deroupa e tecidos de lã. Localiza-se nocentro de Portugal, no lado NW dosopé da mais alta montanha Por-tuguesa - a Serra da Estrela, comcondições de radiação solar médias -para Portugal - de 1520 kWh/m2 anoe 2400 h de luz solar.No processo de tinturaria, apenasuma pequena fracção do consumode calor de processo (1/5) é a120ºC. Na maior parte desteprocesso não se excede 80ºC. Umagrande quantidade de água quentea 60-70ºC é também consumidapara a lavagem de vasilhame uti-lizado na tinturaria.Para este nível de temperatura exis-tem diversas tecnologias de colec-tores solares disponíveis no mercadoapropriadas para esta aplicação.As condições favoráveis para aimplementação do sistema solarresultam dos seguintes factos:• Não é esperado no curto prazo oacesso à rede nacional de gás natural.Figura23Esquemasimplificadodaplantadafábricanoterreno.Quadro12Dadoscaracterísticosdosistemasolarproposto.EmpresaLocalizaçãoSector de produçãoProcessoTemperatura de serviçoÁrea de colectores solaresTipo de colectorVolume do depósitoProdução anual de calorFracção solarCusto total da instalaçãoContribuição da empresaPoupança anualReembolsoGrupo UnicerPoceirão (Setúbal)Fábrica de maltePréaquecimento do ar para secagem do malte20 - 80 ºC3 500 m2Colectores selectivos planos ou CPC---3 762 MWh / ano20 %960 000 Euros624 000 Euros118 320 Euros4 anosFigura24Esquemadosistemasolarproposto.
  • 29• Devido aos altos custos de trans-porte, é muito caro mudar do thickfuel para um combustível fóssilmais limpo, como o gás propano.• A energia solar pode comple-mentar o gás, baixando os custosda energia final, e é ideal para sa-tisfação do objectivo estratégicode certificação pela ISO 14000.• Está disponível uma grande área,com boa orientação, no telhadoda fábrica para a instalação doscolectores solares.• O sistema solar pode ser projec-tado por um processo muitocomum, armazenando a energiacaptada num grande depósito debetão armado já existente.• O processo de tinturaria e oprocesso de lavagem podem seralimentados por água do tanquesolar após correcção da sua tem-peratura pelo sistema de apoio(sistema de energia convencional).4.4 BODEGAS MAS MARTINET,TARRAGONA (ESPANHA)As adegas das Bodegas Mas Mar-tinet localizam-se na região doPriorato, no Sul da Catalunha. Aempresa produz um vinho de altaqualidade para consumo nacionale para exportação.Figura25RadiaçãosolaremPortugalelocalizaçãodafábricadaBEIRALÃ.Figura26Esquemadosistemasolarproposto.EmpresaLocalizaçãoSector de produçãoProcessoTemperatura de serviçoÁrea de colectores solaresTipo de colectorVolume do depósitoProdução anual de calorFracção solarCusto total da instalaçãoContribuição da empresaPoupança anualReembolsoBeiralãSeiaTêxtilPréaquecimento de água para processo de tinturaria20 - 80 ºC1 750 m2Colectores estacionários, planos selectivos ou tipo CPC75 m31331 MWh / ano33 %525 000 Euros341 250 Euros84 496 Euros3 anosQuadro13Dadoscaracterísticosdosistemasolarproposto.Figura 27 Procura de calor (escuro), frio (claro) e água quente doméstica (tom médio) das instalaçõesdas Bodegas Mas Martinet.Figura 28 Necessidades totais de calor e contribuição solar ao longo do ano.
  • 30tir do gerador diesel instalado écara, pelo que existem as con-dições favoráveis para a instalaçãode um sistema de arrefecimentotérmico alternativo que substituao consumo de electricidade dosrefrigeradores (chillers) de com-pressão.É proposto um sistema solar parao condicionamento do ar das ade-gas e do edifício de escritórios,com utilização de uma máquinade arrefecimento por absorçãoYazaki. O excesso de calor doscolectores solares durante osmeses de inverno é utilizado paraaquecimento ambiente e pro-A adega não está ligada à redeeléctrica, pelo que a empresa tentacobrir a maior parte da procura deenergia através de energia solar(térmica e fotovoltáica).Muito do consumo de calor e friona empresa surge da necessidade dearrefecimento da adega durante osmeses de verão e de aquecimentode um edifício de escritórios e deum edifício residencial durante operíodo de inverno. Uma pequenafracção da procura de calor é ori-ginada pela produção de águaquente doméstica.A produção de electricidade a par-dução de água quente doméstica.No sistema proposto, são uti-lizadas ventiloconvectores para adistribuição de calor e de frio paraas adegas e para o edifício deescritórios a elas ligado, e para umsistema de aquecimento por chãoradiante de um edifício residen-cial próximo.O sistema solar é composto porum campo de colectores solares de60 m2 de colectores CPC comproducão de água quente a 80 –90ºC e um depósito de águaquente de 1500 litros. A máquinade frio de absorção tem umapotência nominal de arrefeci-mento de 35 kW, e é apoiado porum depósito frio de 3000 litros.5. INCENTIVOS E FINANCIAMENTODE SISTEMAS SOLARES TÉMICOSINDUSTRIAIS5.1 INCENTIVOS PÚBLICOSAlguns dos desafios subscritos,entre outros, pelos países da UniãoEuropeia na Conferência Mundialde Quioto, em Dezembro de 1997,são os de alcançar uma redução de8% das emissões europeias de gasescom efeito de estufa, comparadascom os níveis de 1990, e cobrir12% da procura de energiaprimária europeia a partir energiasrenováveis em 2010. Para reforçaras medidas políticas de resposta aestes desafios, existem alguns pro-gramas de financiamento para pro-mover projectos de aproveitamentode energias renováveis e de eficiên-cia de energia numa base europeia,nacional, regional e municipal.Figura29Esquemadosistemasolarproposto.EmpresaLocalizaçãoSector de produçãoProcessoTemperatura de serviçoÁrea de colectores solaresTipo de colectorVolume do depósitoganho solar anual (calor útil)Fracção solarInvestimento totalContribuição da empresaPoupança anualReembolsoBodegas Más MartinetTarragona, EspanhaAdegasArrefecimento e aquecimento ambiente50 - 85 ºC60 m2colectores CPC1500 l (quente) + 3000 l (frio/quente)21 MWh / ano58 % (arrefecimento) - 35 % (aquecimento)55 000 Euros35 000 Euros3 000 Euros11 anosQuadro14Dadoscaracterísticosdosistemasolarproposto.
  • 315.1.1. PROGRAMAS DE INCENTIVOSDA COMUNIDADE EUROPEIAO seu objectivo principal é odesenvolvimento na Europa desistemas e serviços de energia sus-tentáveis, contribuindo para umdesenvolvimento mais sustentávelem todo o mundo, conduzindo auma crescente segurança e diversi-dade da oferta, a abastecimento dealta qualidade, a serviços de ener-gia de baixo custo, a competitivi-dade industrial melhorada e aimpacto ambiental reduzido.6º Programa Quadro. Visa pro-mover projectos de demonstraçãode energias renováveis para seremdesenvolvidos na Europa. Os sis-temas de energia propostos devemalcançar um alto grau de inovaçãoe sustentabilidade, levando emconta os aspectos sociais e o seupotencial de demonstração emtodos os sectores económicos.Financiamento máximo: 50% dasdespesas relevantes.Programa Energia Inteligentepara a Europa. Este programa, emvigor de 2003 a 2006, tem porobjectivo reforçar a segurança deabastecimento, combater as alte-rações climáticas e aumentar acompetitividade da indústriaeuropeia. O "Energia Inteligente –Europa (EI-E)" concederá apoiofinanceiro às iniciativas locais,regionais e nacionais nos domíniosdas energias renováveis, eficiênciaenergética e transportes, incluindoa sua promoção fora do espaço daUnião Europeia.O Programa EI-E integra por suavez os Programas ALTENER eSAVE. Estes programas estão ori-entados para as políticas centradasnas medidas não-tecnológicaspara explorar o melhor potencialeconómico em práticas inovadorasno mercado da energia. Financia-mento máximo: 50% das despesasrelevantes.5.1.2. PROGRAMAS DE INCENTIVOSNACIONAISA maior parte dos países Europeustêm desenvolvido programas definanciamento para reforçar eapoiar iniciativas sustentáveis erenováveis. Em Portugal foi cria-do, no âmbito do III QuadroComunitário de Apoio, para asempresas e demais agenteseconómicos, o POE – ProgramaOperacional da Economia (actualPRIME - Programa de Incentivosà Modernização da Economia).Inclui o sub-programa MAPE,que regulamenta a medida deapoio na área da Energia. NoMAPE, os sistemas solares térmi-cos são elegíveis para um incen-tivo de 20% (c/ um limite máxi-mo de 300 000 euros) e umempréstimo reembolsável adi-cional sem juros de 20% (Portarianº 394/2004, de 19 de Abril). Asempresas que invistam em equipa-mento solar podem amortizar orespectivo investimento noperíodo de quatro anos, visto serde 25% o valor máximo da taxa dereintegração e amortização aplicável(Decreto Regulamentar n.º 22/99,de 6 de Outubro). Trata-se de umaimportante medida, por permitira amortização dos sistemas solaresem quatro anos, independente-mente do incentivo.O preço de custo do equipamentoespecífico para sistemas solares(principalmente colectores sola-res) é agravado com uma taxaintermédia de IVA de 12%.5.2 FINANCIAMENTO DE SISTEMASSOLARES TÉRMICOS INDUSTRIAISO financiamento por terceiros éum modelo de financiamento noqual, dependendo do âmbito doprojecto contratado, uma terceiraparte, que não o utilizador daenergia, desenvolve, financia egere o sistema de energia duranteum certo período de tempo acor-dado. Esta terceira parte é tambémconhecida por ESCO (Energy Ser-vice Company). Por seu lado, o uti-lizador de energia tem que fazerpagamentos periódicos à ESCO,os quais estão indexados ao con-sumo de energia ou fixados nocontrato. Este contrato é normal-mente concebido de modo a que operíodo de retorno do investi-mento cobre o investimento e oscustos variáveis de empresa deinvestimentos por terceiros, maisuma margem de lucro. Depen-dendo da dimensão do projecto e agarantia de cash flow o modo depagamento pode ser:• Pagamento a prestações• Compra a prestações• Qualquer outro acordo de leasingNormalmente, o sistema de ener-gia torna-se propriedade do uti-lizador de energia no final do con-trato, se bem que para pequenosprojectos seja o utilizador de ener-gia o proprietário desde o início.
  • 32Estes contratos têm que assegurarque os riscos do projecto assumi-dos pela parte financiadora estãocobertos no caso da produção oudo consumo de energia nãoalcançarem os níveis esperados.Num projecto bem concebido, o uti-lizador de energia poupará dinhei-ro em comparação com os custosde sistemas alternativos e o finan-ciador obterá um lucro.Quadro 15 Panorama dos programas de financiamento para centrais solares produtoras de calor de processo. Ponto de situação em Julho de 2003.Programas Acções Incentivos Tipo de Projecto Contacto Nacional /Informação Website5º Programa Quadro(2002-2006)Iniciativa CONCERTO-Sub-domínio da secção"Sistemas Sustentáveisde Energia", da ÁreaTemática de Prioridade 6Orçamento previsto:~75 MEurosIncentivo: Até o montantemáximo de 50% do custototal elegível do projectoIncentivos máximos por pro-jecto:50% para as actividades deinvestigação e desenvolvi-mento35% para as actividades dedemonstração100% para as actividades deformação100% para as actividades degestão do projectoOrganismo:GRICES – Gabinete de RelaçõesInternacionais e do EnsinoSuperiorwww.grices.mces.ptwww.cordis.lu/fp6/ist.htmProjectos integrados de Investi-gação, Desenvolvimento e/oudemonstração transnacionais,de grande dimensão, geridospelos próprios promotores sob ocontrolo da Comissão EuropeiaIncentivos Fiscais IRC - Amortização do inves-timento em equipamentosolar térmico durante umperíodo de quatro anos noquadro da prestação anualoficial de contas. IVA à taxaintermédia (12%) paraequipamento específico dossistemas solaresOrganismo:DGGE – Direcção Geral deGeologia e Energiawww.dge.ptSistemas solares térmicosPRIME (ex POE)(2003-2006)MAPE – Medida deApoio ao Aproveita-mento do PotencialEnergético e Raciona-lização de ConsumosIncentivo: Até o montantemáximo de 40% do custototal elegível do projecto20% (fundo perdido até omontante máximo de300000 Euros) + 20% (finan-ciamento reembolsável)Organismo:Gabinete de Gestão do PRIMEwww.prime.min-economia.ptApoio à instalação de sistemassolares térmicos1. PROGRAMAS EUROPEUS2. PROGRAMAS NACIONAISPrograma EnergiaInteligente para aEuropa(2003-2006)Sub-programas Save(promoção da eficiênciaenergética), e Altener(promoção das energiasrenováveis)Orçamento: 200 MEurosIncentivo: Até o montantemáximo de 50% do custototal elegível do projectoOrganismo:DGGE – Direcção Geral deGeologia e Energiawww.dge.pthttp://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/index_pt.htmlProjectos transnacionais -cooperação entre empresas(pelo menos três empresas dedistintos Estados membros)
  • Água Quente Solar para PortugalEsta brochura é editada no âmbito da Iniciativa Pública"Água Quente Solar para Portugal", promovida pelaDGGE para criar um mercado sustentável de colectoressolares com garantia de qualidade para o aquecimentode água em Portugal.abr_04Iniciativa executada por