Le centrali solari a concentrazione si dividono in ibride e non ibride.
Gli impianti non ibridi si caratterizzano per il fatto che tutta la radiazione solare viene destinata al ciclo termodinamico finale di produzione elettrica.
I sistemi ibridi integrano l’energia solare in un impianto termoelettrico convenzionale (figura 4.6). Le centrali ibride sono considerate sistemi programmabili ai fini della dispacciabilità dell’energia generata complessivamente.
Figura 4.6 : Schema di impianto solare a concentrazione ibrido con integrazione di energia da combustibile.
Fonte: GSE335
Gli impianti ad esclusiva generazione di energia solare termodinamica sono ideali per fornire energia quando, durante l’estate, si registrano carichi di picco, in regioni ricche con significative esigenze di raffreddamento, come la Spagna e la California. I sistemi in grado di stoccare l’energia
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http://209.85.129.132/search?q=cache:ZvlLyQ5qF6gJ:www.gse.it/attivita/solaretermodinamico/PubblInf/Pagine/inf ormazioni_impianti.aspx+sistemi+a+riflettori+Fresnel&cd=5&hl=it&ct=clnk&gl=it&lr=lang_it|lang_es&client=firefo x-a (accesso: 12-09-09).
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termica sono in grado di operare più a lungo e, anche, di fornire energia di banda336. Ad esempio, in Spagna gli impianti da 50 MW di Andasol sono stati progettati per consentire uno stoccaggio termico di circa otto ore, aumentando, in tal modo, la disponibilità annuale di energia da 1.000 a 2.500 ore.337
I sistemi di specchi per la concentrazione dell’energia solare utilizzati negli impianti CSP possono essere lineari o focali.
I sistemi lineari concentrano le radiazioni circa 100 volte, e raggiungono temperature di esercizio fino a 550°C mentre i sistemi focali possono concentrare i raggi solari molto di più di 1.000 volte e raggiungere temperature di oltre 1000°C.
Le principali opzioni tecnologiche attualmente a disposizione riguardanti il solare a concentrazione sono:
• Sistemi a collettori parabolici lineari (Parabolic Trough); • Sistemi a collettori lineari Fresnel (Linear Fresnel Reflector); • Sistemi a torre centrale (Solar Tower);
• Sistemi a collettori parabolici circolari (Dish Stirling).
Le prime due tipologie impiantistiche sono, come è facile intuire dalla loro denominazione, a concentrazione lineare; le ultime sono a concentrazione focale (figura 4.7).
Così come le centrali elettriche convenzionali, anche le turbine che compongono gli impianti CSP hanno bisogno di raffreddamento. Questo obiettivo può essere raggiunto mediante l’evaporazione di un liquido di raffreddamento, in genere acqua, o tramite il raffreddamento a secco (con aria), entrambe sono tecnologie convenzionali. Il raffreddamento a secco necessita di maggiori investimenti e, alla fine, comporta un costo del 5 - 10% superiore rispetto al costo per il raffreddamento ad acqua, ma presenta il vantaggio di permettere l’installazione di impianti solari termodinamici anche in località in cui vi è scarsità di acqua. Esiste ed è in fase di ulteriori sviluppi e sperimentazioni, anche, la possibilità di “raffreddamento ibrido”, opzione finalizzata a ottimizzare le prestazioni di impianti situati in particolari località.
SISTEMI A COLLETTORI PARABOLICI LINEARI (PARABOLIC TROUGH)
Essi consistono in lunghe file di specchi di forma parabolica in cui superfici riflettenti, rotanti su un unico asse, riflettono la radiazione solare, concentrandola su un tubo costituito di acciaio e vetro (tubo ricevitore) al cui interno scorre un fluido “termovettore” (olio minerale o sali fusi) che riscaldandosi, fino a circa 400°C, converte la luce del sole in energia termica. Quest’ultima viene trasportata ed, eventualmente, accumulata, quindi trasformata in vapore tramite uno scambiatore di calore e adoperata per alimentare un ciclo a vapore per la produzione di energia elettrica.
Al fine di garantire continuità alla produzione di energia anche nei casi in cui la radiazione solare risulti insufficiente o assente per un lungo periodo di tempo, tali sistemi sono spesso associati a impianti ausiliari integrativi.
336 Nel linguaggio settoriale, il consumo di elettricità nelle reti elettriche viene suddiviso in carico di base (energia di banda), carico medio e carico di punta o di picco. Il carico di base è la quantità di energia sotto la quale raramente si scende.
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Le potenze elettriche raggiungibili da tali apparati produttivi sono considerevoli e coprono un range che va dai 30MW fino agli 80 MW338.
Tra tutte le tipologie di impianti solari a concentrazione, i sistemi a collettori parabolici lineari presentano la diffusione commerciale più ampia; essi, infatti, sono stati i protagonisti delle prime sperimentazioni sul solare a concentrazione avvenute negli anni ’70 dello scorso secolo; poi, dal 1981 sono stati costruiti in California, a Kramer Junction nel deserto del Mojave, impianti solari a collettori parabolici lineari a scopo commerciale (impianti SEGS - Solar Electric Generating Systems), con nove unità, per una potenza complessiva di 354 MW. 339 Questi impianti hanno complessivamente prodotto e immesso in rete, ad oggi, più di 16 TWh (miliardi di kWh) di elettricità.
Vantaggi
• Maturità commerciale.
• Efficienza annuale totale netta degli impianti340 ,commercialmente dimostrata, pari al 14%. • Costi di investimento e di esercizio economicamente convenienti.
• Modularità.
• Utilizzo conveniente del fattore uso del suolo. • Ridotto impiego di materiali.
• Possibilità di funzionamento ibrido. • Buona capacità di stoccaggio.
Svantaggi
• Le temperature raggiungibili, attualmente fino a 500°C (400°C in media), permettono solo la produzione di vapore di modesta qualità.
Costi
Tali impianti, nel tempo, hanno fornito buone performance sia sotto il profilo delle prestazioni che dei costi dell’elettricità generata. Gli impianti tuttora in attività in California, aventi ciascuno una capacità pari a 30 MW, producono elettricità ad un costo di circa 12-14 centedimi di dollaro al kWh elettrico. 341
SISTEMI A COLLETTORI LINEARI FRESNEL (LINEAR FRESNEL REFLECTOR)
I concentratori lineari Fresnel sono un sistema tecnologico attualmente in fase di sperimentazione. Essi risultano essere molto simili ai collettori parabolici lineari, ma a differenza di questi ultimi, il tubo ricevitore, posto a una decina di metri circa dal suolo, resta fermo e il movimento coinvolge
338 Per approfondimenti riguardanti la tecnologia solare termodinamica si consulti internet, all’indirizzo: http://www.nextville.it/index/756 (accesso 10-07-09).
339 Cfr. http://www.isesitalia.it/atc_01_013.asp(accesso 10-07-09).
340 Per efficienza annuale totale netta si intende quella ottenuta facendo il rapporto tra l’energia solare totale incidente sull’apertura degli specchi e l’energia elettrica netta in uscita ai morsetti verso la rete.
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solo il concentratore (eliostato) che ruota lungo l’asse longitudinale per inseguire il Sole e rifletterne i raggi sul ricevitore; tale sistema permette di eludere la costruzione di sistemi flessibili, più delicati, sia per connettere i singoli collettori tra loro che per allacciare questi alla rete di distribuzione.
Vantaggi
• Sistema tecnologico relativamente semplice e facilmente disponibile.
• Economicità; gli specchi piatti possono essere acquistati e curvati sul sito con costi di produzione contenuti.
• Possibilità di funzionamento ibrido. • Efficienza spaziale molto elevata.
Svantaggi
• Tecnologia ancora da provare a livello commerciale a causa del recente ingresso nel mercato; attualmente esistono solo piccoli progetti operativi.
Costi
I collettori lineari Fresnel sono, attualmente, un’alternativa a basso costo ai collettori parabolici lineari.
SISTEMI A TORRE CENTRALE (SOLAR TOWER)
I sistemi a torre centrale, sono composti da centinaia di specchi riflettenti leggermente concavi di notevoli dimensioni (eliostati), aventi un’area di oltre i 100 m², sistemati a cerchio o a semicerchio intorno a una torre alta decine o anche centinaia di metri, sulla cui sommità è collocato un ricevitore, sul quale viene concentrata la radiazione solare.342
Gli eliostati, spostandosi in maniera coordinata, sono in grado di seguire il movimento del sole facendo in modo che la radiazione riflessa e concentrata incida costantemente sul ricevitore. Quest’ultimo può essere assimilato a un’enorme caldaia, al cui interno è racchiuso un fluido termovettore (aria, acqua o sali fusi) che, raggiungendo temperature elevatissime, fornisce energia termica a un generatore di vapore, il quale alimenta un turboalternatore in grado di produrre energia elettrica.343
Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.
Il primo impianto a torre centrale, di tipo sperimentale, fu il Solar One, costruito negli USA, nel deserto della California all’inizio degli anni ’80 del secolo scorso. Esso aveva una potenza di 10
342 Cfr. http://www.nextville.it/index/756 (accesso 10-07-09). 343 Cfr.http://www.isesitalia.it/atc_01_013.asp (accesso 10-07-09).
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MW. Nel 1995, a seguito di una serie di innovazioni, il nome dell’impianto fu mutato in Solar
Two. Esso è stato attivo fino al 1999.344
La centrale Solar Two è stata la prima a utilizzare, in qualità di fluido termovettore, una miscela di “sali fusi”, composta dal 40% di nitrato di potassio (KNO3) e dal 60% di nitrato di sodio (NaNO3).345
Al momento, sono in fase di progettazione o di costruzione impianti a torre centrale in diverse aree geografiche del pianeta, in particolare in Spagna e Stati Uniti che, negli ultimi anni, stanno investendo molto in tale tecnologia.
Vantaggi
• Buone prospettive a medio termine per la conversione ad alta efficienza dell’energia solare in energia elettrica; temperatura potenziale di funzionamento superiore a 1.000°C (565°C provati per impianti aventi una capacità di 10 MW).
• Possibilità di stoccaggio del calore ad alte temperature. • Possibilità di funzionamento ibrido.
• Maggiore adattabilità al raffreddamento a secco, rispetto ai sistemi a specchi parabolici lineari e a quelli Fresnel.
• Migliore opzione per l’installazione in siti non pianeggianti.
Svantaggi
• I valori pianificati delle prestazioni annuali, i costi di investimento e di esercizio sono ancora da testare su vasta scala.
• Impatti negativi sul paesaggio; le torri, raggiungendo altezze notevoli, possono risultare esteticamente sgradevoli.
Costi
Al momento la tecnologia in esame, a differenza dei sistemi a collettori parabolici, sotto il profilo commerciale, non è del tutto matura; sebbene abbia dimostrato una fattibilità tecnica più che soddisfacente, i costi di investimento e di esercizio necessitano di prove su vasta scala.
SISTEMI A COLLETTORI PARABOLICI CIRCOLARI (DISH STIRLING)
Gli impianti con collettori a disco parabolico, si compongono di un paraboloide di alcuni metri di diametro,346 in grado di inseguire il sole durante le ore di irraggiamento, ruotando intorno a due assi perpendicolari, e concentrarne la radiazione su un ricevitore installato sul punto focale, all’interno del quale fluisce un gas che raggiunge temperature elevatissime, permettendo l’entrata in funzione di un motore Stirling, integrato nel ricevitore il quale produce direttamente energia
344 Cfr.http://www.nextville.it/index/756 (accesso 10-07-09). 345 Ibidem.
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meccanica o elettrica347, esso nelle applicazioni più diffuse possiede una potenza elettrica di circa 25 kW.
Lo Stirling è un particolare motore a combustione esterna, particolarmente interessante per l’assenza di emissioni, la scarsa necessità di manutenzione, la silenziosità e la possibilità teorica di raggiungere rendimenti vicini a quello teorico per cicli termodinamici. Esso funziona a ciclo chiuso e utilizza, come fluido termodinamico, un gas348 Quando tra il suo punto freddo e quello caldo è raggiunta una congrua differenza di temperatura si innesca una pulsazione ciclica, che fino a quando si immette calore nel sistema, converte l’energia termica in energia meccanica (il moto dei pistoni); l’azione di un alternatore determina, successivamente, l’ulteriore conversione in energia elettrica.349
Gli impianti dish stirling, come già accennato, sono particolarmente efficienti, essi hanno un fattore di concentrazione superiore a ogni altra tecnologia solare, sul punto focale viene, infatti, concentrata una quantità di radiazione solare equivalente a quella emessa da 2.000 soli.
Tali apparati produttivi possono essere installati in serie e raggiungere, conseguentemente, potenze elettriche molto elevate.
Diversamente dagli impianti a collettori parabolici e da quelli a torre centrale, i sistemi dish
stirling si rivelano una soluzione ottimale per generare elettricità in maniera decentrata, ad
esempio nelle zone o nelle situazioni in cui il collegamento alla rete elettrica presenta particolari elementi di criticità.
Vantaggi
• Efficienza di conversione molto elevata (superiore al 30%). • Modularità.
• Stoccaggio termico efficacemente integrato.
• Componenti di semplice fabbricazione e producibili su vasta scala. • Per il ciclo di raffreddamento non è richiesta la disponibilità di acqua.
Svantaggi
• Tecnologia ancora, per alcuni aspetti, in fase di ricerca e sviluppo.
• Obiettivi di costo pianificati per la produzione di massa ancora da testare. • Inesistenza di esempi commerciali su larga scala.
• Minore grado di integrazione con la rete elettrica rispetto agli altri sistemi.
347 Cfr. http://www.isesitalia.it/atc_01_013.asp (accesso 10-07-09).
348 Solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nei modelli ad elevato rendimento.
349 Una caratteristica singolare di tale tipologia di motore è il funzionamento senza l’impiego di valvole. Le uniche parti in movimento sono il pistone ed il dislocatore che funzionano connessi a un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di 90 gradi.
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Costi
La tecnologia dish stirling non ha attualmente un’ampia diffusione, ma assicura ottime prestazioni e costi di produzione dell’energia elettrica competitivi con quella prodotta da fotovoltaico, la qual cosa ne fa presagire un notevole sviluppo futuro.350
Figura 4.7 : Principali opzioni tecnologiche riguardanti i sistemi solari termodinamici.
Fonte:Concentrating solar power - Global Outlook 09
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