1 Introdução
A matriz energética brasileira sempre foi predominantemente baseada em fontes renováveis. Dentre elas, destaca-se a geração hidráulica correspondendo a 68,1% da oferta interna no período 2017-2016 segundo relatório da EPE, Empresa de Pesquisa Energética. Nesse mesmo relatório, temos que a capacidade total instalada de geração de energia elétrica do Brasil (centrais de serviço público e autoprodutoras) alcançou 150.338 MW, crescimento de 9.479 MW, onde usinas eólicas e solares (especialmente as eólicas) foram responsáveis por 26,3% de aumento da malha nacional. Fica evidente aí uma tendência de mudança no perfil da geração de energia no território nacional, especialmente no que se refere às renováveis. Mesmo com a energia eólica ocupando local de destaque nesse novo momento da geração energética renovável, é interessante ao país diversificar sua matriz energética o máximo possível por diversas razões. Assim sendo, a energia solar, especialmente as de CSP, do inglês, usina de concentração solar, tem papel fundamental [1].
Países como Estados Unidos e Espanha são atualmente potência no setor de geração energética usando usinas CSP correspondendo a 90% da capacidade atual instalada de geração em usinas no mundo. Entretanto, não são somente eles que fazem uso dessa fonte, países como Emirados Árabes, Índia, China, Israel e tantos outros se valem dessa fonte que, na presença de um ambiente favorável, torna-se tão eficiente e competitiva como todas as outras fontes renováveis. Algumas dessas usinas são definidas como híbridas, que é quando, na ausência de incidência de luz solar suficiente para aquecer seu fluido de transporte térmico, se valem da queima de algum combustível para seguirem gerando. Outras, mais amigáveis ao meio ambiente, usam o armazenamento térmico que, na ausência de incidência de luz solar suficiente para aquecer seu fluido de transporte térmico, usam o fluido já aquecido que ficou armazenado ou atravessam seu fluido em um armazenamento térmico que se encarregará de aquecer tal fluido [2].
O semiárido brasileiro compreende uma área de 969.589 km2. Essa área se divide entre os Estados do Ceará e Rio Grande do Norte quase que integralmente, a maior parte da Paraíba e Pernambuco, Sudeste do Piauí, Oeste de Alagoas e Sergipe, região central da Bahia e uma faixa que se estende em Minas Gerais, como mostrado na figura 1. Assim sendo, mesmo sendo uma região de características semelhantes, dada sua extensão, ainda se pode encontrar regiões que não sejam tão homogêneas com o resto. O que ocorre nessas áreas é a presença de um microclima específico, que se dão pela presença de serras e montanhas, como é o caso da Chapada Diamantina, na Bahia, parte Oeste da Paraíba e no Centro-norte de Pernambuco [3].
Figura 1: Delimitação do Semiárido brasileiro (Base cartográfica: IBGE, 2010)
Nas seções seguintes apresentaremos as características que tornam essa região tão vantajosa e também as tecnologias disponíveis de armazenamento térmico hoje no mundo.
2 O Semiárido Brasileiro
Um fator climático de
extrema importância quando se fala sobre a instalação de uma usina solar é a
quantidade de chuvas que aquela região recebe. Próximo ao litoral leste, as
chuvas são superiores a 1.000 mm por ano e, à medida que se vai adentrando a região,
atravessando o Agreste e se dirigindo para o Sertão, as precipitações diminuem
e alcançam valores médios inferiores a 500 mm anuais. Índices baixos assim de
precipitação anual são um bom indicativo no que diz respeito à pluviosidade na
região. O deslocamento dessas massas em direção ao continente faz com que elas
vão perdendo umidade e, por consequência, diminuindo suas dimensões. Com isso,
o semiárido tende a ser um local com poucas nuvens, especialmente, nas áreas
fronteiriças entre os Estados de Pernambuco, Bahia e Piauí, como mostrado na
figura 2, tendo assim um menor sombreamento ao longo do ano, o que implica em
maior disponibilidade para as plantas solares ali instaladas. Como em algumas
usinas o fluido de transporte térmico é a água, essa região ainda se beneficia
da presença do rio São Francisco e seus afluentes, de onde podem, numa eventual necessidade, captar a água
para usar em seu ciclo de troca e calor [3].
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Figura 2: Delimitação do Semiárido brasileiro (Base cartográfica: IBGE, 2010)
Como a fonte exclusiva de energia numa planta solar com armazenamento térmico, portanto não híbrida, vem da luz do Sol, o dado mais importante que deve ser analisado quando se quer instalar uma planta é a irradiação solar. Os parâmetros usados para essa avaliação são: insolação diária, como mostrado na figura 3, e radiação solar, como mostrado na figura 4, que, respectivamente, informam a disponibilidade diária do Sol e a potência que a irradiação solar entrega naquela área.
Pelas imagens do Atlas pode-se notar que a região nordeste é muito favorecida no que diz respeito à incidência solar. Dados mais apurados de irradiação solar direta dessa área mostram que especialmente o semiárido nordestino oferece o ambiente perfeito para plantas de geração solar. O que deve-se levar em conta também nesse dado é a sazonalidade dessa insolação. Como se pode ver, existem meses como Janeiro, onde a irradiação solar direta é mais baixa, e meses como Julho, onde a irradiação direta é altíssima, como visto na figura 5 [4].
Figura 3: Mapa de insolação diária, média anual (horas) (Atlas Solarimétrico do Brasil, 2010)
Figura 4: Mapa de radiação solar global diária, média anual (MJ/m2.dia) (Atlas Solarimétrico do Brasil, 2010)
Figura 5: Distribuição espacial da irradiação solar direta normal média mensal (MJ.m-2): (a) Janeiro e (b) Julho de 2008. (Atlas Solarimétrico do Brasil, 2010)
Para finalizar os critérios de análise no que diz respeito a qualidade da irradiação na área, outro indicativo que favorece o semiárido nordestino é a distribuição de frequência da transmissividade atmosférica diária, também conhecida como índice de claridade (Kt). Esse índice é a relação dada entre irradiação solar horizontal medida na localidade em estudo e a irradiação solar diária extraterrestre. Como exemplo, pode-se notar pelo Kt de Arcoverde, Mesorregião do sertão pernambucano, como pode ser visto na figura 6, localizada no agreste de Pernambuco, que o semiárido tem sempre uma alta relação de transmissividade atmosférica [5].
3 Plantas Heliotérmicas CSP
Agora que já foi mostrado como é favorável a instalação de uma planta CSP no semiárido, pode-se falar sobre as tecnologias disponíveis de armazenamento e de como isso seria interessante tanto para o país como para o empresariado que eventualmente investisse nessa forma de geração.
Do ponto de vista de instalação, as CSP são realmente caras. Mas esse custo é severamente amortizado pelo fato de, no caso do armazenamento térmico, os custos com combustível serem praticamente nulos. Por exemplo, no caso de uma termoelétrica de calhas parabólicas sem armazenamento de energia térmica, tem-se custos de capital de USD 4.600/kW com um fator de capacidade entre 0,2 e 0,25.
Figura 6: Distribuição de frequência de Kt e a frequência de dias de céu claro, nublado e parcialmente claro (Análise da Tendência da Irradiação Solar e Temperatura Ambiente no Agreste Nordestino Empregando Dados Medidos de Longo Prazo).
Já, quando se adiciona um armazenamento térmico equivalente a seis horas de operação da planta, tem-se os custos de instalação entre USD 7.100/kW e USD 9.800/kW, mas permite-se que os fatores de capacidade sejam duplicados [2].
Já no caso das torres solares, a temperatura que se pode atingir é ainda maior que nas calhas parabólicas. Essa vantagem térmica acaba por fazer essa tecnologia ser a mais promissora para o futuro dessa forma de geração pois podem atingir temperaturas muito altas com perdas gerenciáveis usando sal fundido como fluido de transferência de calor. Isso permitirá temperaturas operacionais mais altas e a eficiência do ciclo de vapor, além de reduzir o custo de armazenamento de energia térmica, permitindo um diferencial de temperatura mais alto. A instalação de termoelétricas de torres solares com armazenamento térmico entre 6 e 15 horas podem custar entre USD 6.300 e USD 10.500/kW e podem atingir fatores de capacidade de 0,40 a até 0,80 [2].
A tabela 1, de maneira resumida, mostra como é essa relação de custo não só de instalação como também de O&M (operação e manutenção) e LCOE (custo nivelado da eletricidade) para plantas heliotérmicas com e sem armazenamento térmico para as tecnologias de calha parabólica e torre solar.
Tabela 1: Custo e performance de plantas CSP em 2011 (Concentrating Solar Power).
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Calha Parabólica |
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Sem Armazenamento |
6h de Armazenamento |
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Custo de instalação (2010 USD/kW) |
4600 |
7100 a 9800 |
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Fator de capacidade (%) |
20 a 25 |
40 a 53 |
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O&M (2010 USD/kWh) |
0.02 a 0.035 |
0.02 a 0.035 |
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LCOE(2010 USD/kWh) |
0.14 a 0.16 |
0.14 a 0.16 |
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Torre Solar |
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6 a 7.5h de Armazenamento |
12 a 15h de Armazenamento |
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Custo de instalação (2010 USD/kW) |
6300 a 7500 |
900 a 10500 |
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Fator de capacidade (%) |
40 a 45 |
65 a 80 |
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O&M (2010 USD/kWh) |
0.02 a 0.035 |
0.02 a 0.035 |
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LCOE(2010 USD/kWh) |
0.17 a 0.29 |
0.17 a 0.29 |
Segundo as informações apresentadas, o armazenamento térmico não é um mero aditivo que pode ser colocado ou não numa usina heliotérmica. Ele é de fundamental importância para que a planta tenha competitividade e que, em situações muito favoráveis, ela possa ter tamanha disponibilidade que possa ser despachada como uma térmica convencional de óleo ou gás, por exemplo.
Como informação adicional para aumentar o leque de informação sobre essas duas tecnologias de preferência para plantas heliotérmicas (calha parabólica e torre solar), apresenta-se a Tabela 2, onde vários aspectos de ambas as tecnologias são comparadas.
4 Armazenamento Térmico
O armazenamento térmico, sob análise mais simples, nada mais é que uma maneira de estocar energia na sua forma térmica para depois se converter essa energia em sua forma elétrica.
Para isso, parte do fluido de transporte térmico advindo do campo solar, portanto já aquecido, é desviado para um tanque de armazenamento, o que se dá o nome de armazenamento de calor ativo direto, ou para um trocador de calor que aquecerá um fluido para armazenamento térmico, o que se dá o nome de armazenamento de calor ativo indireto [6].
O fator usado para determinar o dimensionamento do campo solar, portanto, é de fundamental importância na hora de se desenvolver o projeto de uma planta heliotérmica com armazenamento térmico. Esse fator é chamado de Múltiplo Solar (MS). Para ter-se um correto dimensionamento do campo solar de uma planta, deve-se levar em conta o MS e a potência nominal da planta. Um campo solar grande demais pode gerar em excesso em condições de alta irradiação solar, enquanto campo pequeno fará com que o bloco de potência não opere em condições de plena carga.
No primeiro caso tem-se um superdimensionamento, que encarece o projeto e desperdiça a energia térmica excedente caso ela não seja armazenada e, no segundo caso, tem se um subdimensionamento, que faz com que a planta atenda de maneira parcial à carga. A Figura 7 traz um gráfico mostrando o impacto do MS e do armazenamento térmico no LCOE, leveleized cost of energy, que, traduzido do inglês, nada mais é do que o custo nivelado da energia [6].
Figura 7: Impacto do MS e do armazenamento térmico no LCOE (Revista Brasileira de Energia Solar Volume V Número1, Jul 2014.)
5 Tecnologias de Armazenamento Térmico
No que diz respeito às tecnologias disponíveis de armazenamento térmico para plantas heliotérmicas CSP, algumas se destacam. São elas o armazenamento de sal fundido, o armazenamento Ruth e o armazenamento usando concreto. Por mais que essas sejam tecnologias já existentes, muito se pesquisa ainda sobre elas para reduzir os custos do sistema através de valores mais altos de temperatura que por sua vez aumentarão a eficiência do sistema. Para uma faixa de temperatura maior, se tem maior densidade de energia para o armazenamento, o que resulta em redução de custos para o material de armazenamento [7].
5.1 Armazenamento de Sal Fundido
Quando se fala de novos sais para se usar como fluido de armazenamento térmico no ambiente de geração de energia, a área mais promissora é toda a família de nitratos e nitritos e todos os tipos de misturas que possam ser feitas com eles. O objetivo é sempre aplicar uma faixa de temperatura operacional estendida para sais fundidos, a fim de diminuir os limites de temperatura mais baixos. Essa não é uma tarefa muito simples porque a economia de custos causada pelo aumento da densidade de energia tem que competir com custos adicionais devido ao aumento do custo de material para novas misturas de sal tecnicamente sofisticadas. Adicionalmente, ainda precisa-se analisar a possibilidade de se encontrar tais sais comercialmente e com ampla oferta. O foco das várias pesquisas feitas com sais é mudar a característica do fluido de armazenamento térmico sem perder a estabilidade química para altas temperaturas [7].
O melhor layout para esse tipo de tecnologia é o de tanque de armazenamento único. Nele estão armazenados tanto o fluido em baixa como o fluido em alta temperatura. O seu funcionamento, como mostrado na figura 8, se dá, no processo de aquecimento, com o fluido em baixa temperatura deixando o tanque, sendo aquecido e regressando ao tanque, agora na porção aquecida do armazenamento.
Tabela 2: Comparação das duas principais tecnologias CSP (Concentrating Solar Power).
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Calha Parabólica |
Torre Solar |
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Capacidade Típica |
10-300 |
10-200 |
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Maturidade da Tecnologia |
Atestada Comercialmente |
Projetos-Piloto Comerciais |
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Temperatuda de Operação (C) |
350-550 |
250-565 |
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Pico de eficiência da Planta (%) |
14-20 |
23-35 |
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Eficiência Solar-Elétrica Anual (%) |
11-16 |
7-20 |
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Fator de Capacidade Anual (%) |
25-28 (sem armazenamento) 29-43 (com armazenamento |
55 (com dez horas de armazenamento) |
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Concentração do Coletor |
70-80 Sóis |
>1000 Sóis |
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Condição do Vapor (C/bar) |
380 a 540/100 |
540/100 a 160 |
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Demanda de água (m3/MWh) |
0.3 - 3 |
0.25 - 3 |
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Adequação a Refrigeração a Ar |
Baixo para Bom |
Bom |
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Armazenamento com Sal Fundido |
Disponível Comercialmente |
Disponível Comercialmente |
De maneira análoga, quando se quer descarregar o tanque, o fluido em alta temperatura é bombeado para foda do tanque, troca calor e volta para o tanque, agora na porção de baixa temperatura do armazenamento [7].
Figura 8: Projeto esquemático do sistema de armazenamento de tanque único com barreira de isolamento flutuante (Thermal Storage CSP Technology).
O desafio nesse modelo de tanque único reside na barreira de isolamento flutuante. Ao mesmo tempo em que a barreira precisa ser móvel para que os volumes superior e inferior possam variar de acordo com o funcionamento do armazenamento, ela também precisa ser suficientemente rígida para suportar a pressão do fluido ali armazenado. Assim sendo, a barreira deve ser composta de materiais resistentes à compressão, para assim se evitar qualquer problema com deformação ao se trabalhar com elevadas temperaturas. Mas, ao mesmo tempo que essa barreira é um desafio para a engenharia, a tecnologia de tanque único é um avanço nos custos da instalação. Em uma aplicação comercial do sistema de tanque único, uma redução das perdas térmicas de 50%, que por consequência gera um aumento na sua eficiência, e dos custos de investimento, visto que agora não são construídos mais dois tanques e sim um, é esperada em comparação com a tecnologia de 2 tanques. Como vantagem adicional o armazenamento de tanque único está sempre preenchido, e então é possível usar bombas convencionais. Já na tecnologia de 2 tanques são necessárias bombas especiais de eixo vertical para trabalhar com tanques pressurizados que são mais caras, o que resulta em uma redução adicional de custo de instalação das plantas [7].
5.2 Armazenamento Ruth
Diferente da tecnologia de sal fundido, essa forma de armazenamento já atingiu o que pode ser sua forma final. Nessa modalidade de armazenamento, vapor saturado é armazenado e fornecido para geração de energia. Uma forma de aumentar o ciclo vapor desse processo, um segundo armazenamento faz um superaquecimento do fluido (Figura 9) [7].
Esta é uma tecnologia de armazenamento que já é usada comercialmente na planta PS10 (Sevilha, Espanha) e fornece energia por 30 minutos a uma hora de operação extra. O alto custo de tanques pressurizados para grandes volumes de vapor e capacidade de armazenamento faz com que essa tecnologia não seja muito viável. Assim sendo, o melhor uso dessa tecnologia é como armazenamento de buffer para um possível pico de demanda de energia [8].
Figura 9: Acumulador de vapor com superaquecimento em sequência (Thermal Storage CSP Technology).
5.3 Armazenamento com Concreto
Não tão madura como as duas tecnologias anteriores, o armazenamento fazendo uso de concreto está se tornando uma realidade e promete bons números no que diz respeito ao custo e à eficiência. Capaz de operar em temperaturas que variam entre 400º e 500º Celsius, ele está no range de atuação das termoelétricas. Em vez de se armazenar um fluido já aquecido para que se gere energia posteriormente, esse novo conceito armazena a energia térmica em módulos de concreto e, quando chega o momento de gerar energia, o fluido escoa por canos embutidos nesses módulos, como mostrado na figura 9, sendo assim aquecidos e gerando energia elétrica. Atualmente, o custo do investimento é de cerca de 30 euros por kWh, mas se pretende chegar a valores de menos de 20 euros por kWh. Já existem instalações com essa tecnologia no mundo operando dois módulos de armazenamento que combinados geram 700kWh [8].
Ainda existem outras formas de armazenamento em estudo ao redor do mundo como é o caso do armazenamento térmico com mudança de fase que ainda está em estágio experimental e consiste em usar os pontos de fusão e congelamento de sais como nitratos de sódio ou potássio para armazenar e fornecer calor para condensação e evaporação de vapor em plantas de vapor direto
[9].
Figura 10: Esquema de armazenamento térmico usando módulos de concreto (Thermal storage options for CSP).
6 Comparativo
Agregando todas as informações que se tem disponíveis sobre as tecnologias de armazenamento térmico supracitadas, tem-se a tabela 3. Nenhuma das tecnologias é pesquisada no Brasil ainda, mas, mesmo assim, fora do país há muito campo e muito investimento nesse segmento de armazenamento térmico que se aplica não somente para geração de energia, mas também em processos industriais e até mesmo para dessalinização de água.
Tabela 3: Comparação entre as tecnologias de armazenamento térmico mais viáveis (Thermal Storage CSP Technology).
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Sal Fundido |
Ruth |
Concreto |
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Densidade Energética |
Alta |
Baixa |
Média |
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Custo |
Médio e caindo devido às pesquisas |
Alto devido aos equipamentos envolvidos no armazenamento |
Baixo devido ao custo da matéria-prima e caindo devido às pesquisas |
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Aplicação Principal |
Geração em momento de baixa ou nenhuma incidência de luz solar |
Pico de geração para atender algum pico de demanda |
Geração em momento de baixa ou nenhuma incidência de luz solar |
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Aplicação Secundária |
Dessalinização e processos industriais |
Processos industriais |
Dessalinização e processos industriais |
7 Conclusão
Levando-se em conta o excelente potencial para geração de energia elétrica com o uso de termoelétricas CSP no semiárido brasileiro, onde tem-se localidade com disponibilidade de luz solar por até 10 horas por dia, e também o barateamento e aperfeiçoamento das tecnologias de armazenamento térmico, fica evidente a predisposição dessa região para esse tipo de investimento onde não só o país ganha, mas também o empresariado que investir nesse ramo do setor elétrico.
Destaca-se especialmente a região de encontro entre os estamos do Piauí, Pernambuco e Bahia. Região essa onde o Sol é abundante, há proximidade de vias públicas e aeroportos, é bastante irrigada por rios afluentes do São Francisco e encontra-se em estados que já têm a tradição da geração de energia renovável com as suas plantas eólicas.
Como sendo a forma de geração com maior eficiência, a torre solar é a opção certa para ser usada no semiárido. Por ser mais cara que as outras, pode ser que assuste os investidores. A segunda opção é a calha parabólica que já é muito usado no mundo, tem um preço mais em conta e também tem boa eficiência. Tecnologias como fresnel e disco parabólico devem ser evitadas por terem baixa eficiência e aplicação restrita respectivamente.
Por fim, no tocante ao armazenamento, o sal fundido apresenta-se como melhor opção por ter muita pesquisa sendo feita e já hoje ser uma realidade. No caso de se usar o sal fundido, é preferível que se use a tecnologia de tanque único que, embora demande ainda mais alguns estudos, é mais barata para ser instalada e tem um desempenho melhor que a tecnologia de dois tanques. Outra boa opção é o armazenamento usando concreto. O Brasil tem tradição em pesquisas com concreto, o que pode acabar sendo um fator muito favorável para a implantação dessa modalidade. O armazenamento Ruth não é uma boa opção por não poder suprir a carga por muito tempo, o que foge do propósito que é ter uma térmica despachável.
Referências
[1] Empresa de Pesquisa Energética. Balanço Energético Nacional, 2017.
[2] International Renewable Energy Agency. Concentrating Solar Power, Jun 2012.
[3] R. C. Correia, L. P. Kiill, M. B. Moura, T. F. Cunha, L. A. de Jesus, J. P. Araújo. A região semiárida brasileira, Dez 2011.
[4] A. S. Porfirio, J. C. Ceballos. Validação da Estimativa de Irradiação Solar Direta Normal Por Satélites. V Congresso Brasileiro de Energia Solar, Abr 2014.
[5] M. O. Pedrosa, V. Mariano. Análise da Tendência da Irradiação Solar e Temperatura Ambiente no Agreste Nordestino Empregando Dados Medidos de Longo Prazo. VII Congresso Brasileiro de Energia Solar, Abr 2018.
[6] R. Soria, R. Schaeffer, A. Szklo. Configurações Para Operação de Plantas Heliotérmicas CSP com Armazenamento de Calor e Hibridização no Brasil, páginas 01-10, Revista Brasileira de Energia Solar Volume V Número1, Jul 2014.
[7] D. Schlipf, M. Stenglein, G. Schneider. Thermal Storage CSP Technology – State of the Art and Matket Overview, Jun 2014
[8] C. Richter, S. Teske, R. Short. Concentrating Solar Power Global Outlook 09 – Why Renewable Energy is Hot, 2009.
[9] T. Ross. Thermal storage options for CSP, Set 2012