Un’opportunità a portata di mano: le energie rinnovabili Solare termodinamico a concentrazione Fabio Peron Università IUAV - Venezia Sistemi solari a concentrazione Sistemi solari a concentrazione Concentrare per elevare la T La tecnologia a concentrazione è ideale per realizzare centrali da vari megawatt Permette di integrare i sistemi tradizionali per sostenere la rete e in applicazioni remote Rapida realizzazione poichè utilizza materiali e dispositivi convenzionali: vetro, acciaio, turbine, …. Richiede quantità di acqua simili a quelle di una centrale a carbone o olio I concentratori lineari parabolici: impianti da 50-200 MW, ormai affidabili e presenti sul mercato. Le torri solari sono utilizzabili per impianti da 50-100 MW realizzati vari impianti negli anni ’80, nuove realizzazioni in Spagna. Sistemi lineari Fresnel: impianti da 50-200 MW, in fase di studio Dish-Stirling: piccola potenza 25 kW, modulari, poche nuove realizzazioni operanti, competitor del FV. La disponibilità di energia solare Le due fascie tropicali sono le aree con maggiore insolazione. Energia solare: il trasporto Una possibile rete di distribuzione di energia elettrica tra nord Africa – e medio oriente e Europa La disponibilità di energia solare La fascia solare del nord Africa – Deserto del Sahara Un esempio: il south-west degli Stati Uniti In Arizona, California, Colorado, Nevada, New Mexico, Texas, Utah si ha un potenziale di generazione di 7000 GW. - Direct normal solar resource in the Southwest, filtered by resource, land use, and topology. Image courtesy of “Tackling Climate Change In the US: Potential Carbon Emissions Reductions from Energy Efficiency and Renewable Energy by 2030” (Charles F. Kutcher ed.) -Direct normal solar resource in the Southwest. Image courtesy of “Tackling Climate Change In the US: Potential Carbon Emissions Reductions from Energy Efficiency and Renewable Energy by 2030” (Charles F. Kutcher ed.). Darker colors signify greater solar radiance. Solar One and Solar Two Solar Two e concentratori parabolici a Barstow (California) Solar One è stato un impianto pilota costruito nel deserto del Mojave a est di Barstow,California. Ha funzionato negli anni 1981-1986. Nel 1995 Solar One è stata convertita in Solar Two, con l’aggiunta di un secondo anello di 108 riflettori da 95 m². Con un totale di 1926 heliostati e con una area di 82,750 m² è in grado di produrre 10 MW. Un terzo impianto Solar Tres funzionante con la stessa tecnologia è stato costruito in Spagna • • • Solar One (CA): trasferimento del calore con vapore, 10 MW Solar Two (CA): trasferimento del calore con sale fuso, 10 MW Solar Tres (Spain): trasferimento del calore con sale fuso, 15 MW Parco solare Solucar: Solar Tres e PS10 PS20 Parco solare Solucar Siviglia Spagna: Solar Tres (SENER), Andasol, PS10 e PS20 eliostato della centrale Solar Two Ricevitore solare a tubi Sali fusi NaNO3 e KNO3. Parco solare Solucar: Solar Tres e PS10 PS20 Solar Tres (SENER) PS10 Plataforma solar de Sanlucar: PS10 e PS 20 PS 10 11 MW – 24.3 GWh/anno 624 eliostati torre alta 115 m 30 minuti accumulo area occupata 75000 m2 energia elettrica per 5500 famiglie PS 20 20 MW 1255 eliostati torre alta 160 m area occupata 75000 m2 energia elettrica per 12000 famiglie Metano a integrazione 15% Efficienza produzione vapore 92% Plataforma solar de Sanlucar: PS10 e PS 20 SEGS - California Solar Energy Generating Systems, o SEGS, è la più grande infrastruttura per la produzione di energia solare. Esso è composto da nove centrali solari in California nel Deserto del Mojave: Harper Lake, Kramer Junction, Daggett. La capacità generativa totale è di 354 MW. Altri impianti solari termodinamici a specchi parabolici proposti sono: due centrali da 50 MW in Spagna, e una da 100 MW in Israele, Nevada Solar One 64 MW. PS10: ricevitore assorbitore e campo solare SEGS - California SEGS - California Image of parabolic trough power plant in Kramer Junction, CA, which supplies power for the greater Los Angeles area. SEGS - California Nevada Solar One Nevada Solar One è la terza più grande centrale ad energia solare al mondo con una capacità nominale di 64 MW e una massima di 75 MW. Usa più di 180.000 specchi parabolici, che concentrano i raggi solari su tubi che corrono lateralmente agli specchi e contengono un fluido facilmente riscaldabile. Il fluido si riscalda fino a 390 °C, il calore si trasferisce all’acqua che diventata vapore passa attraverso turbine. Concentratori parabolici lineari: Nevada Solar One Il primo brevetto per concentratori parabolici Fresnel lineare Fresnel lineare: Liddel, Sidney Liddel Power Station, Sidney – 1 MW Fresnel lineare: Liddel, Sidney Fresnel lineare: Puerto Errado, Murcia Spagna Puerto Errado Murcia Spagna 2015 kWh/m2anno 2 MWe 40000 m2 4608 specchi 18662 m2 specchi Produzione di vapore 55 bar 270°C Liddel Power Station, Sidney – 1 MW Fresnel lineare: Puerto Errado, Murcia Spagna Confronto tra lineare parabolico e Fresnel lineare Il progetto Archimede, ENEA-ENEL, Priolo Gargallo Sicilia Il progetto Archimede, ENEA-ENEL Archimede nel 212 a.C. usò specchi parabolici per raccogliere e concentrare i raggi solari contro le navi di legno romane. In questo modo i raggi riflessi ne rovocarono l'incendio, istruggendo la flotta romana. L’area siciliana presenta una insolazione molto elevata, ideale per il posizionamento della centrale Il progetto è frutto di una collaborazione ENEL-ENEA e prevede la realizzazione di un impianto solare integrato con la centrale termoelettrica ENEL a ciclo integrato ubicata a Priolo Gargallo (Siracusa). Ricostruzione fotografica del sito di Priolo Progetto Archimede: Integrazione ciclo combinato – impianto solare Progetto Archimede: concentratori parabolici TUBO RICEVITORE SPECCHI TUBAZIONI la centrale termoelettrica ENEL funziona a ciclo integrato ossia con turbina a gas abbinata a ciclo Rankine a vapore d’acqua. A questo si affianca un campo solare a concentratori lineari parabolici con una elevata capacità di accumulo Progetto Archimede: concentratori parabolici La parabola viene orientata in modo da avere l’asse parallelo alla direzione della radiazione solare. In questo modo i raggi sono concentrati nel fuoco dove si trova il tubo ricevitore attraversato dal fluido da riscaldare. Progetto Archimede: concentratori parabolici Il tubo ricevitore, situato sulla linea focale degli specchi, è costituito da due cilindri concentrici separati da una intercapedine sotto vuoto. Il carico aerodinamico del vento può essere un problema. La struttura è stata studiata in modo da essere leggera e resistente. Il sistema è in grado di portare il collettore nella posizione di sicurezza, in previsione di eventi atmosferici avversi, quali forte vento o grandine. Il cilindro esterno in vetro ha funzione di involucro protettivo ed è collegato mediante soffietti metallici al cilindro interno in acciaio. Sulla superficie del tubo di vetro viene fatto un trattamento antiriflesso per ridurre al minimo la luce riflessa. I carichi aerodinamici dovuti all’azione del vento, vengono determinati con precisione attraverso modelli matematici specifici e prove nella galleria del vento. Il cilindro interno in acciaio costituisce il tubo assorbitore dell’energia solare; al suo interno circola il fluido termovettore. Sulla superficie del tubo di acciaio è presente un composto spettralmente selettivo, sviluppato da ENEA, che assicura il massimo assorbimento della luce solare e la minima emissione di radiazione infrarossa, consentendo il raggiungimento dell’elevata temperatura di esercizio dell’impianto. Progetto Archimede: fluido termovettore Progetto Archimede: limiti Sali fusi Il fluido utilizzato è costituito da una miscela di Sali fusi 60% - Nitrato di sodio( NaNO3 ) 40% - Nitrato di potassio ( KNO3 ) VANTAGGI SALI FUSI • • Concentratori parabolici Elemento distintivo e innovativo è un sistema di accumulo di energia in grado di far funzionare l’impianto anche in assenza di radiazione per alcuni giorni. Sono presenti due serbatoi: • serbatoio “caldo” contiene la miscela di sali fusi alla temperatura di 550°C • serbatoio “freddo” contiene la miscela di sali fusi alla temperatura di 290°C ¾ Nel circuito del campo solare, il sale si scalda fino a 550 °C circolando all’interno dei collettori solari e va a riempire il serbatoio caldo. I piatti solari consistono in uno specchio parabolico di ampio diametro con un motore di tipo stirling a combustione esterno disposto nel suo fuoco. La parabola segue in maniera continua il percorso solare in modo che i raggi solari siano concentrati nel piano focale Il motore Stirling impiega un ciclo termodinamico con due vantaggi: la fornitura di energia è esterna e quindi può essere quella solare ha un rendimento elevato GENERATORE DI VAPORE ¾ • assicurare una continua circolazione dei sali nelle tubazioni, anche di notte, per prevenire solidificazioni della miscela. Il sale viene prelevato dal serbatoio caldo e, dopo aver prodotto vapore nel generatore di vapore, ritorna al serbatoio freddo. preriscaldamento elettrico delle tubazioni nelle fasi di “primo avviamento” dell’impianto, quando le tubazioni vanno riempite di sale; • aumentare la temperatura all’uscita del campo solare fino a 550 °C, con aumento delle prestazioni del ciclo termodinamico di produzione elettrica; SPECCHI sistema di fusione del sale e sistemi di Adottare per le tubazioni e la componentistica materiali e tecnologie costruttive adeguati, in particolare per il comportamento alla corrosione. accumulo termico a basso costo, in quanto i sali sono economici, non tossici e a limitato impatto ambientale in caso di fuoriuscita accidentale e disponibili in grandissime quantità. Progetto Archimede: limiti Sali fusi FLUIDO TERMOVETTORE • Queste miscele solidificano ad alta temperatura per cui è necessario mantenerle sempre liquide con opportuni accorgimenti tecnologici. Condurre esperienze specifiche per qualificare la componentistica; attività che l’ENEA sta attuando mediante i suoi circuiti sperimentali e con altre attività di laboratorio. Concentratori parabolici Solar Dish Solar Dish Forno solare a Odeillo Francia Odeillo - Francia Forno solare a Odeillo Francia Odeillo - Francia Forno solare a Odeillo Francia Odeillo - Francia Forno solare a Mont St Louis Francia Mount St Louis - Francia
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