Energia solară concentrată (CSP): cum funcționează și cât costă

Energia solară concentrată (CSP), numită și electricitate solar-termică, produce curent din căldura soarelui, nu din lumina lui. Câmpuri de oglinzi urmăresc soarele și îi concentrează razele pe un receptor, încălzind un fluid la o temperatură între 300 °C și 565 °C. Căldura produce abur pentru o turbină, același bloc energetic pe care l-ai găsi într-o centrală pe cărbune sau pe gaz. Ce deosebește CSP este stocarea: căldura se stochează mult mai ieftin decât electricitatea, așa că o centrală cu un rezervor de săruri topite poate vinde energie solară noaptea.

La nivel mondial, CSP rămâne mic. IRENA, REN21 și baza de date de proiecte SolarPACES indică o putere în funcțiune de aproximativ 7 GW la mijlocul anilor 2020, față de peste 2.000 GW de fotovoltaic. Statisticile de electricitate de pe site (de la Ember și Our World in Data) nu prezintă CSP separat; este inclus în cifrele pentru solar, unde asigură mult sub 1% din producție. Contează mai puțin prin mărimea de azi și mai mult prin ce poate face în regiunile însorite și aride: energie solară care poate fi stocată și livrată la cerere.

Cum funcționează CSP

Orice centrală CSP are patru subsisteme:

1. Câmpul solar. Oglinzile (heliostate sau reflectoare curbe) urmăresc soarele și concentrează iradianța directă normală pe un receptor. Sistemele cu focalizare liniară ajung la circa 30-100 de sori; turnurile cu focalizare punctuală ajung la 500-1.000+.
2. Receptorul. Absoarbe lumina concentrată și transmite căldura unui fluid: ulei termic sintetic, sare de nitrați topită sau direct apă/abur.
3. Stocarea termică a energiei. De obicei două rezervoare cu săruri topite, un amestec numit „sare solară”, cu circa 60% azotat de sodiu și 40% azotat de potasiu. Sarea este pompată dintr-un rezervor rece (~290 °C) prin receptor sau printr-un schimbător de căldură într-un rezervor cald (~390 °C la centralele cu jgheaburi, ~565 °C la turnuri).
4. Blocul energetic. Un ciclu Rankine cu abur, cu turbină, generator și condensator, în principiu la fel ca într-o centrală pe combustibil fosil.

Doar radiația directă poate fi concentrată, așa că CSP nu obține nimic din lumina difuză pe care fotovoltaicul o transformă totuși în zilele cu ceață. La alegerea amplasamentului contează DNI, nu iradianța globală orizontală (vezi harta potențialului solar).

Principalele tehnologii CSP

Jgheab parabolic

Rânduri lungi de oglinzi parabolice concentrează lumina pe un tub receptor vidat, aflat pe linia focală, și încălzesc uleiul sintetic la circa 390-400 °C. Jgheaburile sunt soluția cea mai matură și reprezintă cea mai mare parte din puterea instalată. Exemple: parcul spaniol de centrale de 50 MW (Andasol 1-3, fiecare cu 7,5 ore de stocare), centrala Solana de 280 MW din Arizona și secțiunea cu jgheaburi de 600 MW din Faza 4 a Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park din Dubai. Limita de temperatură a uleiului ține pe loc randamentul ciclului cu abur, iar stocarea are nevoie de un schimbător de căldură ulei-sare.

Turn solar (receptor central)

Mii de heliostate plane, fiecare urmărind soarele independent, reflectă lumina pe un receptor din vârful unui turn. Turnurile lucrează la temperaturi mai mari (sare topită la circa 565 °C), așa că turbina are randament mai bun, iar sarea poate fi stocată direct, fără schimbător de căldură, ceea ce scade costul stocării. Noor III din Maroc (150 MW), Cerro Dominador din Chile (110 MW, circa 17,5 h de stocare) și turnul de 100 MW și 262 de metri din Dubai, cel mai înalt turn solar construit vreodată, sunt câteva exemple. Ivanpah din California (circa 390 MW brut, trei turnuri, abur direct, fără stocare) este cel mai cunoscut turn fără stocare.

Fresnel liniar

Centralele Fresnel liniare folosesc fâșii lungi de oglinzi aproape plane, aproape de sol, care concentrează lumina pe un receptor fix montat deasupra. Costă mai puțin și ocupă mai puțin teren pe MW decât jgheaburile, dar randamentul optic e mai mic, mai ales iarna și la latitudini mari. Centralele au de obicei zeci de MW, cum sunt Puerto Errado 2 din Spania (30 MW) și Dhursar din India (125 MW).

Disc parabolic

Un disc concentrează lumina pe un receptor aflat în focarul său și antrenează de obicei un motor Stirling de circa 10-25 kW pe unitate. Sistemele disc-Stirling dețin recordul de randament solar-electric (peste 30% la vârf). Nu pot fi însă combinate ușor cu stocarea și n-au ajuns niciodată la scară comercială: marile proiecte americane cu discuri de la începutul anilor 2010 au fost anulate sau trecute pe fotovoltaic.

Intervalele de randament sunt valori aproximative de proiectare și exploatare din literatura IRENA și SolarPACES. Centralele reale diferă în funcție de DNI, mărimea stocării și modul de exploatare.

Randament, stocare și factor de capacitate

Randamentul CSP este un lanț de conversii. După pierderile optice (reflectivitatea oglinzilor, efectul cosinus și umbrirea) rămân de regulă 55-75% pe an; receptorul păstrează 80-90% după absorbție și pierderile de căldură; ciclul cu abur transformă circa 35-42%. Înmulțite, dau randamente solar-electrice anuale de circa 13-20%, la fel sau sub nivelul panourilor fotovoltaice. Limita Carnot stabilește plafonul termodinamic al blocului energetic:

Din cauza acestui avantaj de temperatură domină turnurile proiectele noi. Multiplul solar este principala pârghie de proiectare pentru dispecerizare. La SM = 1, câmpul este exact cât să alimenteze turbina la prânz. La un SM de 2,5-3,5, centrala adună căldură în plus ziua și o stochează pentru seară și noapte. Rezervoarele cu săruri topite pierd doar câteva procente din căldură pe zi și costă mult mai puțin pe kWh de capacitate decât bateriile, așa că 6-15 ore de stocare au devenit standard.

Factorul de capacitate al unei centrale CSP depinde deci în principal de stocare. Fără stocare, centralele funcționează la aproximativ 20-30%. Cu 7-10 ore, 40-55% este tipic pe amplasamentele bune, iar centrale precum Cerro Dominador sunt proiectate pentru 60-70% sau mai mult. Pe măsură ce durata stocării a crescut, media ponderată IRENA pentru centralele noi a urcat de la circa 30% în 2010 la 40-55% în ultimii ani. Calculatorul factorului de capacitate arată ce înseamnă asta în energie anuală.

Costuri

Și costurile CSP au scăzut abrupt, deși de la un nivel mai ridicat și pe mult mai puține proiecte decât la fotovoltaic.

• IRENA (2024): LCOE-ul mediu ponderat global al centralelor CSP puse în funcțiune a scăzut de la circa 0,39 USD/kWh în 2010 la aproximativ 0,12 USD/kWh în 2023, o scădere de circa 70%. În fiecare an intră în funcțiune doar câteva centrale (în ultima vreme mai ales în China), așa că media anuală sare de la un an la altul.
• Prețuri din licitații: Noor Energy 1 din Dubai, de 950 MW (Faza 4, 700 MW CSP plus 250 MW fotovoltaic, 15 ore de stocare), a fost contractat la circa 0,073 USD/kWh în 2017. Proiectele din Chile și China au ofertat 0,06-0,11 USD/kWh, în funcție de finanțare și de schemele de sprijin.
• Analizele Lazard LCOE+ au plasat turnurile solar-termice americane cu stocare la aproximativ 120-160 USD/MWh nesubvenționat, mult peste fotovoltaicul de mare putere.
• NREL ATB modelează scăderi importante în continuare pentru turnurile cu săruri topite, dacă modelele de nouă generație (receptoare mai fierbinți, cicluri cu CO2 supercritic) ajung pe piață.

Investiția este mare, de regulă câteva mii de USD pe kW, în funcție de orele de stocare, iar LCOE-ul variază cu WACC-ul, mărimea centralei și DNI. Comparația corectă nu este CSP față de fotovoltaicul simplu, ci CSP față de fotovoltaic plus stocare în baterii care livrează aceeași energie seara și noaptea. Pentru durate scurte (2-4 h), fotovoltaicul cu baterii litiu-ion câștigă acum aproape peste tot; CSP arată mai bine la peste 8 ore și pentru căldură industrială. Poți testa aceste compromisuri în calculatorul LCOE.

Proiecte emblematice

• Noor Ouarzazate, Maroc. Un complex de 580 MW: Noor I (160 MW cu jgheaburi, 3 h de stocare), Noor II (200 MW cu jgheaburi, 7 h), Noor III (150 MW turn, circa 7,5 h) și Noor IV (72 MW fotovoltaic). Construit cu împrumuturi concesionale multilaterale, a devenit modelul pentru CSP-ul de mari dimensiuni din piețele emergente.
• Cerro Dominador, Chile. Prima centrală CSP din America Latină (2021), un turn cu săruri topite de 110 MW, cu circa 17,5 h de stocare, asociat cu 100 MW de fotovoltaic în deșertul Atacama, unde DNI este printre cele mai mari de pe Pământ.
• Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park, Faza 4, Emiratele Arabe Unite. Cea mai mare investiție CSP pe un singur amplasament din lume: 600 MW cu jgheaburi, un turn de 100 MW și 250 MW de fotovoltaic, cu 15 ore de stocare.
• Ivanpah, Statele Unite. Cea mai mare centrală CSP din lume la deschiderea din 2014, folosește turnuri cu abur direct, fără stocare, și arde gaze naturale la pornire. Nu și-a atins țintele inițiale de producție și a fost criticată pentru păsările ucise. În 2025, cumpărătorii energiei au acceptat încheierea anticipată a contractelor, înaintea unei închideri parțiale planificate.
• Crescent Dunes, Statele Unite. Un turn de 110 MW cu 10 h de stocare, care a avut o scurgere la rezervorul de sare și opriri lungi. Problemele lui au răcit interesul investitorilor pentru CSP la sfârșitul anilor 2010.

Teren, apă și materiale

Teren. CSP are nevoie de aproximativ 2-4 hectare pe MW, cam cât fotovoltaicul de mare putere sau puțin mai mult, dacă iei în calcul câmpul supradimensionat pentru stocare. Terenul trebuie să fie plat, cu pante în general sub 1-3%.

Apă. În deșert, apa este cea mai mare problemă de mediu a CSP. Centralele cu jgheaburi și răcire umedă consumă aproximativ 3.000-3.500 de litri pe MWh, cam cât centralele pe cărbune. Răcirea uscată (cu aer) reduce consumul cu circa 90%, la câteva sute de litri pe MWh pentru spălarea oglinzilor și completarea apei din circuitul de abur, dar costă câteva procente din producție și mai mult capital. Majoritatea centralelor noi din regiunile cu deficit de apă au răcire uscată.

Materiale. CSP folosește multe materiale: oțel și beton pentru structuri și fundații, sticlă și argint pentru oglinzi și zeci de mii de tone de săruri de nitrați pe centrală. Niciunul nu este rar, dar masa pe MW este mai mare decât la fotovoltaic.

Emisii de CO2 pe ciclul de viață

• IPCC AR5 WGIII Annex III (2014): mediana 27 g CO2e/kWh, interval 8,8-63 g.
• UNECE (2021): în această evaluare, CSP iese în medie mai sus decât fotovoltaicul. Motivele sunt cantitățile mari de oțel, beton, sticlă și săruri de nitrați și, la unele modele, gazele naturale arse la pornire și pentru protecția la îngheț. Cifrele rămân totuși cu un ordin de mărime sub producția pe combustibili fosili.

Arderea suplimentară de gaz face cea mai mare diferență. Centralele care ard mult gaz la pornire sau ca să împiedice solidificarea sării au emisii din exploatare măsurabil mai mari decât cele exclusiv solare. Sarea topită se solidifică la circa 220-240 °C, așa că trebuie ținută caldă în perioadele noroase.

Siguranță și impact asupra mediului

Riscurile industriale sunt cele ale oricărei centrale termice: abur de înaltă presiune, fluide fierbinți și risc de incendiu de la uleiul termic sintetic din centralele cu jgheaburi. Lumina concentrată din jurul receptoarelor de pe turn poate arde păsările și insectele care zboară prin ea; studiile diferă mult în privința numărului de păsări care mor anual la Ivanpah. Strălucirea oglinzilor îi poate deranja pe piloți și șoferi. Sărurile de nitrați sunt substanțe netoxice, de calitate pentru îngrășăminte, deși scurgerile pot deteriora echipamentele.

Perspective

Creșterea CSP s-a oprit în anii 2010, când costurile fotovoltaicului s-au prăbușit, dar stocarea a readus interesul. China are multe proiecte cu turn și Fresnel în pregătire, construite lângă parcuri fotovoltaice și eoliene ca să furnizeze putere fermă pentru „bazele de energie curată” izolate. Chile, Maroc, Arabia Saudită, Emiratele Arabe Unite și Africa de Sud rămân piețe active. Nișa probabilă a CSP este acoperirea serii și a nopții, ca partener dispecerizabil al fotovoltaicului ieftin, și furnizarea de căldură industrială de temperatură înaltă, pentru că un câmp CSP poate livra abur direct. Cercetarea se concentrează pe receptoare de peste 700 °C, cicluri cu CO2 supercritic și stocare în particule solide. Pentru partea fotovoltaică a solarului vezi energia solară; pentru costuri și emisii comparate cu alte opțiuni vezi comparația tehnologiilor.