Lenergia solare termica a concentrazione

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Lenergia solare termica a concentrazione
Augusto Maccari
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Andamento mondiale dei consumi energetici
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Il Sole la principale fonte di energia della
terra
Tutte le forme di energia sul nostro pianeta
hanno origine dallirraggiamento solare, ad
eccezione dell'energia nucleare, geotermica e
delle maree.
Il Sole è una sfera di materia gassosa con volume
è più di un milione di volte maggiore di quello
della terra. Il Sole è un reattore nucleare che
produce unenorme quantità di energia, trasmessa
dagli strati interni verso quelli esterni.
La Terra riceve soltanto una parte minuscola, 2
milionesimi, del totale dell'energia sprigionata
dal Sole ma è sufficiente a fornire in pochi
minuti l'energia che l'intera umanità consuma in
un anno. E disponibile ovunque ed è alla portata
di tutti!
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Potenzialità dellenergia solare
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Potenzialità energia solare a concentrazione

• Nelle aree molto soleggiate (sun belt) ogni
  metro quadrato di superficie orizzontale si può
  ottenere una grande quantità di enrgia sottoforma
  di calore ad alta temperatura.

• La stessa quantità di energia ottenibile dalla
  combustione di un barile di petrolio.
• In altri termini su ogni metro quadro di terreno
  ben soleggiato, piovono annualmente circa 20 cm
  di petrolio!

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Quanto possiamo contare sulle fonti non
rinnovabili?
Fonte Trans-Mediterranean Renewable Energy
Cooperation - TREC
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Aree idonee alla realizzazione di impianti solari
a concentrazione
Ipotetica estensione dellarea occupata da
impianti solari termodinamici per produrre il
fabbisogno mondiale di energia elettrica previsto
nel 2050, pari a 36000 TWh/anno
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Uno sguardo allarea mediterranea
600 TWh/a
3200 TWh/a
17000 TWh/a
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Sviluppo previsto della rete EURO-MED di
interconnessione
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Perché concentrare?

• I sistemi a collettori piani sono in grado di
  arrivare a temperature di circa 90-100C più che
  sufficienti per riscaldare lacqua per usi
  sanitari ma troppo basse per gran parte delle
  applicazioni industriali
• Concentrando (100 e più volte) i raggi solari è
  invece possibile raggiungere temperature molto
  più grandi (superiori a 500C) utili anche per la
  produzione di energia elettrica

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Le tecnologie solari a concentrazione

• Tecnologie attualmente disponibili
• Torre solare
• Dischi parabolici
• Collettori parabolici lineari

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Concentratori a disco parabolico

• Questo sistema utilizza pannelli riflettenti di
  forma parabolica che inseguono il movimento del
  sole attraverso un meccanismo di spostamento su
  due assi e concentrano 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 viene prodotta direttamente energia
  elettrica.

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Concentratori a disco parabolico

• La forma ideale del concentratore è un
  paraboloide di rivoluzione alcuni concentratori
  approssimano tale forma geometrica utilizzando un
  insieme di specchi con profilo sferico montati su
  una struttura di supporto.

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Sistemi a torre con ricevitore centrale

• Il sistema a torre centrale utilizza pannelli
  riflettenti piani (eliostati) che inseguono il
  movimento del sole su due assi, concentrando la
  luce solare su un ricevitore, montato sulla
  sommità di una torre, allinterno del quale viene
  fatto circolare un fluido per lasportazione del
  calore solare. Lenergia termica può quindi
  essere utilizzata in vari processi, in
  particolare per la produzione di energia
  elettrica.
• Il principio di funzionamento è analogo a quello
  dei sistemi a dischi parabolici, con il
  concentratore costituito da un elevato numero di
  eliostati a formare una superficie riflettente di
  centinaia di migliaia di metri quadrati (campo
  solare).

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Sistemi a torre con ricevitore centrale

• Laltezza rispetto al suolo del punto focale
  dipende dallestensione del campo di eliostati e
  può raggiungere anche centinaia di metri.
• Gli eliostati sono dislocati in modo da
  circondare completamente la torre oppure sono
  posti ad emiciclo verso nord, e sono tra loro
  distanziati per evitare fenomeni di
  ombreggiamento, con una distanza che aumenta
  allontanandosi dalla torre.

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Gli eliostati

• La superficie di ciascun eliostato va da 100 a
  170 m2 come materiale riflettente si utilizza
  normalmente lo specchio di vetro, ma sono stati
  sperimentati anche materiali alternativi quali
  membrane riflettenti o fogli metallici.

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Concentratori parabolici lineari

• I sistemi a collettori parabolici lineari sono,
  tra le tecnologie solari termiche per la
  produzione di energia elettrica su larga scala,
  quelli con la maggiore maturità commerciale, come
  ampiamente dimostrato dallesperienza di
  esercizio degli impianti SEGS (Solar Electric
  Generating Systems).
• Dalla metà degli anni ottanta sono in funzione,
  in California nel deserto del Mojave, nove grandi
  impianti SEGS per una potenza complessiva di 354
  MWe.

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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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La tecnologia dei collettori parabolici lineari
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Ipotesi di sviluppo del mercato solare
termodinamico
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Il programma ENEA
Dal 2001, lENEA ha avviato un intenso programma
di ricerca, sviluppo e dimostrazione alla scala
industriale della tecnologia solare a
concentrazione focalizzato essenzialmente su due
linee di attività

• La captazione e laccumulo di calore a media
  temperatura (circa 550C), da utilizzare
  principalmente per la produzione di energia
  elettrica
• La captazione e laccumulo di calore ad alta
  temperatura (superiore a 750C) per la
  produzione diretta di idrogeno.

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Le innovazioni introdotte dal progetto ENEA

• Il progetto ENEA introduce importanti
  miglioramenti alla tecnologia attuale
• Lintroduzione di un accumulo termico
• Lutilizzo di un fluido termovettore alternativo
• Un nuovo collettore solare
• Il progetto di un innovativo tubo ricevitore

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Laccumulo termico

• Ogni tecnologia matura di produzione di energia
  deve fornire energia quando richiesta .
• Nel sistema ENEA due accumuli termici servono per
  disaccoppiare la produzione dallutilizzo.
• Laccumulo termico è un molto efficiente
  (solamente l1 dellenergia raccolta viene
  dispersa in 1 giorno)
• Utilizzando una miscela di Sali fusi tra 290 e
  550 C, sono necessari 5 m3/MWh

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Laccumulo termico

• Ogni tecnologia matura di produzione di energia
  deve fornire energia quando richiesta .
• Nel sistema ENEA due accumuli termici servono per
  disaccoppiare la produzione dallutilizzo.
• Laccumulo termico è un molto efficiente
  (solamente l1 dellenergia raccolta viene
  dispersa in 1 giorno)
• Utilizzando una miscela di Sali fusi tra 290 e
  550 C, sono necessari 5 m3/MWh

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Laccumulo termico

• Ogni tecnologia matura di produzione di energia
  deve fornire energia quando richiesta .
• Nel sistema ENEA due accumuli termici servono per
  disaccoppiare la produzione dallutilizzo.
• Laccumulo termico è un molto efficiente
  (solamente l1 dellenergia raccolta viene
  dispersa in 1 giorno)
• Utilizzando una miscela di Sali fusi tra 290 e
  550 C, sono necessari 5 m3/MWh

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Laccumulo termico

• Ogni tecnologia matura di produzione di energia
  deve fornire energia quando richiesta .
• Nel sistema ENEA due accumuli termici servono per
  disaccoppiare la produzione dallutilizzo.
• Laccumulo termico è un molto efficiente
  (solamente l1 dellenergia raccolta viene
  dispersa in 1 giorno)
• Utilizzando una miscela di Sali fusi tra 290 e
  550 C, sono necessari 5 m3/MWh

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Laccumulo termico

• Ogni tecnologia matura di produzione di energia
  deve fornire energia quando richiesta .
• Nel sistema ENEA due accumuli termici servono per
  disaccoppiare la produzione dallutilizzo.
• Laccumulo termico è un molto efficiente
  (solamente l1 dellenergia raccolta viene
  dispersa in 1 giorno)
• Utilizzando una miscela di Sali fusi tra 290 e
  550 C, sono necessari 5 m3/MWh

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Laccumulo termico

• Ogni tecnologia matura di produzione di energia
  deve fornire energia quando richiesta .
• Nel sistema ENEA due accumuli termici servono per
  disaccoppiare la produzione dallutilizzo.
• Laccumulo termico è un molto efficiente
  (solamente l1 dellenergia raccolta viene
  dispersa in 1 giorno)
• Utilizzando una miscela di Sali fusi tra 290 e
  550 C, sono necessari 5 m3/MWh

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Il fluido termovettore
Tecnologia attuale
Olio minerale con media temperatura di esercizio
( fino a 390C). Alti costi, alto impatto
ambientale, e facilmente infiammabile.
Progetto ENEA
Miscela di sali con alta temperatura di esercizio
(290 -550C). Bassi costi e alta compatibilità
ambientale (prodotto utilizzato in agricoltura
come fertilizzante).
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Il collettore solare ENEA
Lateral view
Gli specchi sono incollati su una struttura a
nido dape
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Il tubo ricevitore ENEA
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Evoluzione del progetto
Avvio impianto Archimede
2010
2009
Fase di dimostrazione industriale
2008
2007
2006
Fase di sperimentazione e qualificazione
componenti
2005
Avvio impianto sperimentale prova componenti
2004
2003
Progettazione dei principali componenti insieme
allindustria nazionale
Fase di ricerca di laboratorio
2002
2001
Avvio progetto
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Progetto Archimede
Obiettivo
Realizzazione di un impianto dimostrativo della
tecnologia solare ENEA integrato in una centrale
termoelettrica a ciclo combinato.
Priolo
Impianto ENEL
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Progetto Archimede

• 2 unità da 380 MWe
• 250 MWe turbina a gas
• 130 MWe ciclo vapore)

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Progetto Archimede

• Area disponibile
• per limpianto solare

Campo solare
Sistema di accumulo
Linea vapore
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Archimede solar field
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Idrogeno una grande opportunità per il futuro
Lidrogeno non è una fonte energetica ma
solamente un eccellente vettore energetico.
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Metodi per la produzione di Idrogeno
Fonte
Nucleare
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Utilizzo del calore solare per la produzione di
idrogeno
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Conclusioni

• Le fonti energetiche tradizionali non sono
  sufficienti per garantire lo stesso tenore di
  vita alle generazioni future
• Dobbiamo inoltre fare in modo che possano
  usufruire delle risorse energetiche anche tutte
  quelle popolazioni che ne sono per il momento
  escluse

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Conclusioni

• Le fonti rinnovabili in generale e lenergia
  solare in particolare dovranno in ogni caso
  giocare un ruolo importante nello scenario
  energetico futuro
• La diffusione e lo sviluppo dellenergia solare a
  concentrazione potrebbero consentire,
  specialmente nelle zone ad alta insolazione, un
  utilizzo sempre più massiccio dellenergia
  solare.