Tecnologia solare a concentrazione - Tesina

Impianti a torre centrale

Questo tipo d’impianto, utilizza un sistema di specchi indipendenti (eliostati) concentrando

i

raggi solari su un “ricevitore”, posto sopra all’estremità della struttura della torre.

Dal ricevitore un fluido opportuno trasferisce il calore , a un generatore di vapore, che

alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di

concentrazione e quindi temperature superiori. Uno di questi principali impianti è il solar

two

presente negli USA, con una resa di 10 Mwe.

Impianti con collettori a disco parabolico

Questo tipo di impianto, è costituito da pannelli riflettenti di forma parabolica

che inseguono il sole, con un movimento di rotazione attorno a due assi ortogonali,

e concentra la radiazione solare su un “ricevitore” montato nel punto focale.

Il calore ad alta temperatura viene normalmente trasferito ad un fluido ed utilizzato in

un motore, posizionato al di sopra del ricevitore,dove si produce energia meccanica o

elettrica.

La Tecnologia CSP per la produzione elettrica

Gli impianti CSP trovano attualmente un’applicazione concreta solo nella produzione di

elettricità; anche nel breve-medio termine questa sarà con ogni probabilità la principale

applicazione. Gli impianti CSP per affermarsi devono fronteggiare un’agguerrita

competizione sul piano dei costi di generazione dell’energia.

In ogni caso il problema di ridurre il costo di produzione e di aumentare il valore di mercato

dell’energia prodotta rimangono gli aspetti principali per acquisire quote di mercato.

Per diminuire il costo di generazione si può agire sostanzialmente su due aspetti:

• ridurre i costi specifici di investimento;

• aumentare l’efficienza di produzione.

I due principali progetti: temperatura e continuità di

esercizio

I problemi principali relativamente alla tecnologia CSP sono i seguenti:

La temperatura raggiungibile e la continuità di servizio.

Per quanto riguarda la temperatura di esercizio negli impianti industriali si usano

collettori

parabolici lineari, che utilizzano come fluido un termovettore ad olio sintetico e quindi,

consente temperature operative non superiori a 400°C. Invece per quanto riguarda la

continuità di esercizio, per rendere la produzione elettrica meno dipendente dalla

propria

fonte solare la tecnologia attuale prevede di realizzare impianti “ibridi”,

in cui al campo solare si affianca un bruciatore a gas che fornisce energia quando

la radiazione solare è insufficiente.

La produzione diretta di idrogeno solare

Uno dei problemi fondamentali di un futuro scenario

energetico sostenibile sarà la produzione di energia su

larga scala a costi competitivi e senza produzione di gas

serra, servita da vettori di trasmissione quali energia

elettrica

ed idrogeno. Una volta esaurita la potenzialità di

“trasferimento di energia” tramite l’interconnessione

elettrica, il nuovo vettore idrogeno potrà consentire di

trasferire su grandi distanze il potenziale delle fonti

primarie

dalle zone di produzione alle zone di consumo, come

attualmente avviene per i combustibili fossili.

I cicli termochimici, costituiti da una serie di reazioni

Ossido riduttive che coinvolgono sostanze intermedie di

natura diversa, consentono di operare la scissione

dell’acqua

in idrogeno e ossigeno a partire da calore a temperature

relativamente elevate (800-1.500°C) ma comunque

Raggiungibili impiegando sistemi a elevata concentrazione,

quali sistemi a torre o a concentratori puntuali. Questa

tipologia di processi è nota fin dagli anni settanta del secolo

scorso, ma solo in questi ultimi anni è oggetto di rinnovato

interesse, sulla spinta delle sempre più Impellenti

Problematiche ambientali.

Principali programmi

e iniziative

internazionali

Programma SolarPaces

Il Programma SolarPACES (www.solarpaces.org) è un programma collaborativo istituito dalla

IEA(International Energy Agency) con lo scopo di coordinare le azioni dei vari organismi

Impegnati nello sviluppo della tecnologia solare a concentrazione. Nell’ambito del

SolarPACES

Sono previste una serie di Task (azioni) relative allo sviluppo delle varie tecnologie solari a

concentrazione, dalla produzione di elettricità alla chimica solare.

L’Iniziativa CSP-GMI

La CSP-GMI (Concentrating Solar Power – Global Market Initiative) è una Iniziativa internazionale

stabilita al Summit Mondiale di Johannesburg del 2002, coordinata nell’ambito dei Task I del

SolarPACES, intrapresa da un insieme di soggetti pubblici e privati con l’obiettivo di facilitare e

accelerare la realizzazione di 5.000 MWe di impianti solari a concentrazione, nel mondo, entro i

prossimi 10 anni. In questo quadro, durante la Conferenza Mondiale sulle Energie Rinnovabili

svoltasi nel 2004 a Bonn, l’Italia ha siglato un accordo con Germania, Spagna, Algeria, Marocco,

Israele per lo sviluppo di centrali elettriche ibride a gas con integrazione solare, iniziando con gli

impianti in Algeria, Marocco, Egitto previsti nel quadro del GEF e dei meccanismi di flessibilità

dell’accordo di Kyoto.

Il programma sulle

tecnologie solari

a concentrazione

La proposta per l’elettricità solare: utilizzo dei Sali

fusi

Questa tecnologia combina alcune caratteristiche dei sistemi a collettori parabolici

Lineari e di quelli a torre solare ad alta temperatura, puntando su innovazioni

tecnologiche

Che permettono di superare i punti critici di entrambi. In particolare:

l’utilizzo di collettori parabolici lineari,in quanto tecnologia più “matura”;

 Lo sviluppo di tubi ricevitori in grado di operare ad alta temperatura;

 L’utilizzo,come fluido termovettore, di Sali fusi già utilizzati negli impianti a torre USA;

 La presenza di un sistema di accumulo termico,anche questo già utilizzato negli

 impianti a torre USA

Lo schema di funzionamento dell’ impianto a collettori parabolici lineari a Sali fusi

È illustrato nella figura seguente: Nella figura :

Sono presenti due serbatoi (serbatoio “caldo”

e serbatoio “freddo”) che contengono la

miscela di sali fusi rispettivamente alla

temperatura di 550 °C e 290 °C. Dai serbatoi

partono due circuiti indipendenti in cui il sale è

spinto da opportune pompe di circolazione.

Nel circuito del campo solare, in presenza

di irraggiamento sufficiente il sale,

prelevato dal serbatoio freddo, si scalda

fino a 550 °C circolando all’interno dei

collettori solari e va a riempire il serbatoio

caldo.

Nel circuito del generatore di vapore (GV) il sale viene prelevato dal serbatoio caldo e,

dopo aver prodotto vapore surriscaldato nel GV, ritorna al serbatoio freddo.

I Vantaggi dei Sali fusi

L’impiego di sali fusi come fluido termovettore consente due

vantaggi:

• di realizzare un accumulo termico a basso costo, in quanto i

sali sono economici, non tossici e a limitato impatto

ambientale (si tratta di fertilizzanti naturali) in caso di

fuoriuscita accidentale;

• di aumentare la temperatura all’uscita del campo solare fino

a 550 °C, con aumento delle prestazioni del ciclo

termodinamico di produzione elettrica; nel caso negli oli

sintetici la massima temperatura è invece limitata a 400°C.

L’uso dei Sali e la relativa temperatura

l’impiego di sali fusi consente di produrre vapore ad alta temperatura,

dell’ordine

di 530 °C, in grado di alimentare cicli a vapore con rendimenti di conversione

termodinamica elevati (42-44% contro 37.6% di un ciclo alimentato con

vapore a

370°C, tipico di un impianto a olio) senza l’impiego di un risurriscaldatore a

combustibile fossile. Questo vantaggio va commisurato con le maggiori

perdite

termiche dei collettori e con la necessità di sviluppare una tecnologia più

“spinta”, in particolare per i tubi ricevitori. Anche a parità di rendimenti o costi

globali, poter produrre vapore a 530 °C consente comunque di alimentare

direttamente cicli a vapore di tipo commerciale. Come già citato, un’alta

temperatura rende inoltre più compatto il sistema di accumulo.

Le principali

realizzazioni SOLARI

Il collettore solare rappresenta la voce principale nell’analisi economica che

viene fatta per decidere la realizzazione di una centrale solare, quindi il suo costo

e la sua efficienza rivestono particolare importanza per la diffusione della

tecnologia solare a concentrazione.

Il collettore è composto da:

• una struttura che supporta gli specchi realizzando la geometria parabolica e permette di

orientarli in modo da inseguire il moto del sole;

• una serie di specchi di opportuno disegno geometrico;

• un sistema di movimentazione in grado far ruotare la struttura con la precisione di

puntamento richiesta;

• una serie di tubi ricevitori, su cui vengono concentrati i raggi solari, attraverso i

quali l’energia termica viene conferita al fluido vettore.

La struttura dei collettori solari

La struttura, che deve assicurare contemporaneamente rigidità, precisione geometrica

elevata

e basso costo. Oltre a raggiungere gli obiettivi di resistenza strutturale prefissi, il nuovo

progetto

ha conseguito notevoli risultati quanto ad economia costruttiva e semplicità di montaggio.

La soluzione adottata, basata su un tubo centrale portante e supporti laterali a profilo

variabile, pur a prezzo di un peso leggermente superiore ad analoghe realizzazioni

concorrenti,

presenta nella razionalità costruttiva e nella scelta dei materiali le sue carte vincenti, che la

rendono di fabbricazione poco costosa, di facile trasportabilità, di rapida

installazione e di semplice registrazione entro le tolleranze richieste dal sistema ottico

concentratore. Nonostante le dimensioni considerevoli, lunghezza di circa 100 m, ampiezza di

circa 6 m ed altezza di 3,5 m all’asse di rotazione, possono essere facilmente rispettate

tolleranze finali sul montaggio dell’ordine del millimetro.

Gli specchi dei collettori solari

Gli specchi sono stati realizzati con varie tecnologie, coinvolgendo

settori diversi dell’industria nazionale, con l’obiettivo

di esplorare tutta una serie di alternative per

conseguire un minor Costo finale e migliori

caratteristiche meccaniche rispetto alla soluzione

tradizionale (FLABEG) che impiega uno specchio in

vetro spesso curvato a caldo.

Comun denominatore di tutte le soluzioni è l’idea di

impiegare uno specchio in vetro sufficientemente

sottile (850 μm) da poter essere piegato a freddo, fino ad assumere la forma

parabolica richiesta, ed applicarlo ad un pannello di supporto con funzione strutturale

opportunamente sagomato.

Sistema di movimentazione dei collettori solari

Il sistema di movimentazione è stato realizzato

dalla

Duplomatic Oleodinamica ed è costituito da una unità

oleodinamica autonoma, Il sistema è in grado di

portare il collettore in posizione di sicurezza (in

previsione di eventi atmosferici avversi, quali forte

vento

o grandine) in presenza di velocità del vento fino a 14

m/s;una volta posto in sicurezza il collettore è

progettato per resistere a venti fino a 28 m/s.

I tubi ricevitori dei collettori solari

I tubi ricevitori sono elementi lunghi circa 4 m, saldati in opera per formare una linea

che,

nella posizione di riferimento in esercizio, deve essere in asse con la retta focale degli

specchi parabolici. La linea di tubi ricevitori è mantenuta in posizione da bracci di

sostegno, dotati alle estremità di cerniere cilindriche, che permettono la dilatazione

termica dei tubi quando l’impianto è in esercizio. La funzione dei tubi ricevitori è quella

di

trasferire al fluido termovettore la massima quantità di energia solare concentrata

dagli

specchi riflettenti, riducendo al minimo le perdite di energia per irraggiamento verso

l’ambiente.

Obbiettivi e prestazioni conseguiti

L’obiettivo tecnologico finale è quello di sviluppare collettori solari in grado di operare

con sali fusi a temperature di 550 °C, con rendimento globale massimo, nell’arco di

una

giornata (energia termica prodotta/energia incidente), superiore al 70 %.

Gli obiettivi di costo per una produzione di serie di collettori solari, con quantitativi

sufficienti a realizzare un campo solare dotato di alcune centinaia di collettori da 100

m