GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI

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1 6 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI

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3 6.1 Conversione dell energia solare Sistemi a concentrazione Introduzione Benché i consumi energetici mondiali siano cresciuti negli ultimi 150 anni a un tasso medio annuo intorno al 2,3%, ancora oggi un quarto della popolazione mondiale non ha a disposizione l energia elettrica e oltre un terzo, in gran parte concentrato nei paesi in via di sviluppo, fa ricorso quasi esclusivamente alla biomassa quale fonte di energia primaria. D altra parte, molti di questi paesi si trovano in zone dove la radiazione solare è considerevole e, se fosse possibile sfruttarla con tecnologie semplici ed economiche, potrebbe fornire un contributo determinante al loro crescente fabbisogno energetico. Si prevede infatti, per il solo settore dell energia elettrica, un raddoppio dei consumi mondiali nei prossimi 30 anni, principalmente dovuto al forte aumento della domanda che si avrà nei paesi in via di sviluppo e in quelli emergenti; questo settore rappresenta attualmente circa un terzo dell intero fabbisogno energetico mondiale, la cui crescita è prevista, nello stesso periodo, intorno al 75%. È evidente che, per far fronte a questo notevole incremento della domanda, nei prossimi decenni non si potrà più fare affidamento sulle sole fonti energetiche primarie tradizionali (principalmente carbone, petrolio e gas naturale). Andranno quindi utilizzate al meglio tutte le risorse energetiche disponibili, con particolare attenzione a quelle rinnovabili che, per la loro natura, non presentano il problema del progressivo esaurimento dei giacimenti in corso di sfruttamento. La fig. 1 mostra i contributi energetici teoricamente disponibili e quelli tecnicamente sfruttabili che le principali fonti rinnovabili potrebbero fornire a livello mondiale. Queste considerazioni, unite alla maggiore consapevolezza delle conseguenze per i mutamenti climatici indotti su scala planetaria dalle emissioni di un numero crescente di impianti industriali, hanno determinato un rinnovato interesse per gli impianti termoelettrici solari da parte dei paesi più industrializzati, come pure da parte delle istituzioni internazionali che devono promuovere e sostenere lo sviluppo nei paesi tecnologicamente più arretrati. In tali impianti di generazione, la radiazione solare, per poter essere sfruttata adeguatamente, va convertita in energia termica ad alta temperatura; perché questa conversione sia possibile, la radiazione che arriva al suolo deve prima essere concentrata. Per concentrazione e conversione dell energia solare si intende l insieme delle tecnologie, dei sistemi e degli impianti che utilizzano questa energia come fonte di energia termica ad alta temperatura mediante la focalizzazione della radiazione solare su appositi ricevitori. Ciò comporta lo sfruttamento della sola componente diretta della radiazione e la perdita della sua componente diffusa. Pertanto le regioni della Terra da prendere in considerazione, al fine di un adeguato sfruttamento dell energia solare negli impianti termoelettrici, sono quelle in cui energia utilizzabile (10 18 J) energia teorica disponibile (10 18 J) solare biomassa idraulica eolica fig. 1. Potenzialità delle principali fonti di energia rinnovabile (Solar Millennium AG, 2003). VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 531

4 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI la radiazione diretta che arriva al suolo ha una potenza media annua almeno pari a 200 W/m 2, corrispondente a una energia annua di kwh/m 2 ; nei siti ottimali si può anche arrivare a una potenza media di 320 W/m 2, corrispondente a una energia annua di kwh/m 2. Come mostra la fig. 2, le aree dove è possibile sfruttare la fonte solare mediante impianti a concentrazione si trovano in gran parte nei paesi emergenti o in via di sviluppo. In queste regioni, utilizzando le tecnologie solari a concentrazione oggi disponibili, ogni chilometro quadrato di superficie captante potrebbe consentire mediamente l immissione nella rete elettrica di un energia intorno a 300 GWh/a, equivalente alla produzione annua di un impianto termoelettrico tradizionale da 50 MW funzionante per circa h/a. Si potrebbe così ottenere un risparmio annuo di combustibile di quasi barili di petrolio e inoltre una riduzione delle emissioni di CO 2 mediamente pari a t/a. Lo sfruttamento di meno dell 1% del potenziale energetico reso disponibile dalla tecnologia solare a concentrazione sarebbe sufficiente a soddisfare le raccomandazioni dell IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) per la stabilizzazione a lungo termine del clima planetario. Allo stesso tempo, lo sfruttamento dell energia solare diventerebbe economicamente competitivo rispetto a quello dei combustibili fossili. Cenni storici La storia del solare a concentrazione inizia migliaia di anni fa: la proprietà delle superfici riflettenti concave, esposte ai raggi del Sole, di causare la combustione di molti materiali era nota ai popoli più antichi in oriente e nel bacino mediterraneo e dava origine alla denominazione di specchi ustori. Nel 2 secolo a.c. si narra che Archimede, il celebre matematico siracusano, li abbia usati per incendiare a distanza la flotta romana comandata dal console Marcello che assediava la città. I primi usi documentati andavano dall accensione del fuoco alla cottura di cibi, al riscaldamento dell acqua e delle abitazioni. Successivamente si costruirono sistemi di lenti che, per esempio con il chimico francese A.-L. Lavoisier (1772), permisero di raggiungere temperature (oltre C) sufficienti a fondere metalli. La diffusione della macchina a vapore, che utilizzava come combustibile il carbone allora disponibile in abbondanza, frenò le applicazioni dell energia solare. Circa cento anni dopo si cominciò tuttavia a porre all attenzione generale il problema dell esaurimento delle scorte di carbone; su queste basi, A. Mouchot, all Esposizione Universale di Parigi del 1878, presentò il primo motore solare: un riflettore a disco parabolico da 20 m 2 che, concentrando i raggi del Sole su un recipiente contenente 70 litri di acqua, in 30 minuti produceva energia termica sufficiente a generare vapore in grado di azionare un macchinario. Negli stessi anni, a Parigi, A. Pifre, un assistente di Mouchot, presentò una macchina da stampa alimentata da un collettore a disco parabolico che, in una tipica giornata di settembre, permetteva di stampare in diretta copie di Le Journal Soleil. idoneità alla realizzazione di impianti solari a concentrazione eccellente buono idoneo non idoneo fig. 2. Mappa dell irraggiamento solare diretto (Solar Millennium AG, 2003). 532 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

5 CONVERSIONE DELL ENERGIA SOLARE Cominciarono da allora nelle zone più soleggiate, come l Africa settentrionale, le prime applicazioni di impianti per il pompaggio, la dissalazione dell acqua e la cottura dei cibi. A Bombay, in India, W. Adams, rappresentante della Corona britannica, riflettendo criticamente sul progetto di Mouchot decise che per ottenere temperature maggiori con costi minori e manutenzione più semplice era meglio costruire una batteria di piccoli specchi da collimare sulla caldaia, posizionandoli a semicerchio e muovendoli opportunamente per seguire il percorso apparente del Sole. Sul finire del 1878 iniziò a costruire un impianto, che sarà poi definito a torre, aggiungendo gradualmente specchi fino a raggiungere la temperatura di 800 C, in modo da produrre vapore con una pressione sufficiente a far girare un motore di media potenza. L inventore svedese-americano J. Ericsson sperimentò nel 1887 impianti di irrigazione per le assolate coste del Pacifico, utilizzando il suo piccolo motore ad aria calda alimentato da un collettore con riflettore parabolico lineare: una struttura di più semplice costruzione rispetto al collettore a disco, con la caldaia che è posta come un tubo, longitudinale al riflettore, nella linea del fuoco della parabola. L ingegnere inglese A. Eneas, invece, nel 1901 installò per dimostrazione in una fattoria di Pasadena, in California, un motore solare simile al precedente progetto di Mouchot, capace di pompare circa 7 m 3 di acqua al minuto per irrigare l arido terreno californiano. Nel 1910 un ingegnere della Pennsylvania, F. Shuman, costruì una caldaia solare, alimentata da collettori parabolici lineari, capace di far girare un grande motore da 30 kw di potenza, per irrigare con 25 m 3 di acqua al minuto una fattoria nel deserto. Installò, perciò, su una superficie di circa m 2, a Meadi, a sud del Cairo (Egitto), cinque collettori di 4 m di apertura e 60 m di lunghezza, che rappresentano il primo impianto solare a scala industriale. In quegli anni iniziò però la Prima Guerra Mondiale e nello stesso tempo la trivellazione massiccia dei grandi bacini petroliferi in Medio Oriente e nel continente americano; ancora una volta, l abbondante disponibilità di combustibile fossile frenò le applicazioni dell energia solare a concentrazione. Bisognerà arrivare agli anni Ottanta del 20 secolo, con la minaccia dell esaurimento delle scorte petrolifere e della conflittualità permanente nelle aree di estrazione del greggio, perché venga riproposta quella tecnologia che, come dichiarava Shuman all inizio del Novecento, utilizza «la più razionale fonte di energia». Sulla base delle esperienze di Ericsson e Shuman la sperimentazione industriale si è indirizzata, perciò, verso i collettori parabolici lineari, che rappresentano il miglior compromesso nel rapporto costo/energia prodotta per la maggior parte dei siti potenzialmente sfruttabili. La Luz ha costruito a metà degli anni Ottanta, nel Deserto californiano del Mojave (Stati Uniti), un impianto solare a collettori parabolici lineari per la produzione di vapore che, utilizzato in un ciclo termodinamico, forniva una potenza elettrica di 14 MW. Nella medesima zona sono stati realizzati in seguito altri impianti della stessa filiera per complessivi 354 MW di potenza elettrica, tuttora funzionanti. Contemporaneamente un altro impianto solare, con tecnologia a torre centrale (Solar One), venne costruito sempre nel Deserto del Mojave. Questo impianto pilota, con una potenza elettrica di 10 MW, utilizzava un area pari a circa m 2 ; era connesso alla rete della California meridionale e rimase attivo dal 1981 al Successivamente venne realizzato un secondo impianto a torre (Solar Two), in funzione dal 1996 al 1999, che utilizzava come fluido termovettore non più acqua ma una miscela di sali fusi. Per quanto riguarda l Europa, è stata l Italia a ospitare la prima grande centrale europea dimostrativa nell ambito del solare ad alta temperatura, realizzata ad Adrano in Sicilia. L impianto Eurelios del tipo a torre, costruito a partire dal settembre del 1979 da un consorzio italo-franco-tedesco nell ambito di un programma di ricerca della Comunità Europea, aveva una potenza di progetto di 1 MW e rimase in funzione fino al Dall inizio degli anni Ottanta è attivo in Spagna, presso la cittadina di Almeria, il più importante centro di ricerca europeo sulle tecnologie solari a concentrazione, noto come Piattaforma Solare di Almeria (PSA). Nel corso degli anni sono stati realizzati in questo centro numerosi impianti sperimentali, in gran parte finanziati dalla Comunità Europea, per lo studio delle varie filiere tecnologiche: in particolare, i sistemi a torre centrale e i sistemi a collettore parabolico lineare. Aspetti fondamentali della concentrazione solare Come già accennato, la concentrazione della radiazione solare è indispensabile quando viene richiesta energia termica a temperatura maggiore di quella che può essere raggiunta con l impiego di una superficie piana per la sua raccolta e conversione (collettore piano). Per ottenerla si utilizza un opportuno sistema ottico (il concentratore) che raccoglie e invia la radiazione su un componente (il ricevitore) dove essa viene trasformata in energia termica ad alta temperatura. La raccolta della sola radiazione diretta comporta, inoltre, che il concentratore venga movimentato durante la giornata per inseguire il percorso del Sole nella volta celeste. Al fine di raggiungere alte temperature è necessario aumentare il flusso termico solare sul ricevitore, che quindi deve avere una superficie inferiore a quella di raccolta del concentratore, corrispondente alla sezione piana della sua superficie riflettente. Il parametro che caratterizza un sistema a concentrazione è il fattore di concentrazione C, definito come il rapporto tra l area A A della superficie di raccolta del concentratore, detta anche VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 533

6 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI superficie captante, e l area A R della superficie del ricevitore: A A C 12 A R Un concetto strettamente legato al fattore di concentrazione è l angolo di accettazione (2q c ), cioè l intervallo angolare entro il quale tutti o quasi tutti i raggi sono intercettati dal ricevitore. Il fattore di concentrazione massimo, per un sistema a due dimensioni che prevede un ricevitore di tipo lineare (come il collettore parabolico lineare), è pari a: 1 C 2D,teorico senq c mentre per un sistema a tre dimensioni con ricevitore di tipo puntuale (come il collettore a disco parabolico o il sistema a torre) è: 1 C 3D,teorico sen 2 q c Il minimo angolo di accettazione che consente di inviare al ricevitore tutti i raggi provenienti dal disco solare può essere calcolato in base a considerazioni geometriche. Il Sole ha un diametro di circa 1, km mentre la distanza media tra il Sole e la Terra è di circa km; dunque i raggi solari giungono sulla Terra con una divergenza pari a circa 0,25. In base alle relazioni precedenti, il fattore di concentrazione massimo per i sistemi a due dimensioni è di circa 215, mentre per i sistemi a tre dimensioni arriva a un valore di oltre In pratica, però, i fattori di concentrazione dei sistemi reali risultano assai inferiori a causa di una serie di limitazioni tecnologiche. La presenza di errori nell inseguimento del Sole e di imprecisioni nella forma del concentratore e nel posizionamento del ricevitore impone angoli di accettazione sensibilmente maggiori della divergenza solare; inoltre, la scelta della soluzione costruttiva del ricevitore e del concentratore comporta un ulteriore riduzione del fattore di 2-4 volte rispetto al valore teorico. Il fattore di concentrazione effettivo che si vuole conseguire in un impianto solare una volta stabilita la sua tipologia implica dunque un compromesso tra prestazioni ottiche e termiche. Il ricevitore, infatti, deve essere scelto quanto più piccolo possibile per limitare le perdite termiche, ma un aumento delle sue dimensioni consente la raccolta di tutti i raggi solari anche in presenza di imperfezioni nel concentratore. Consideriamo, per esempio, il caso del collettore parabolico lineare; la fig. 3 mostra la sua sezione con un piano perpendicolare all asse focale. La superficie riflettente del concentratore ha l andamento di una parabola di equazione: y x 2 4f e la radiazione viene focalizzata su un ricevitore cilindrico di raggio r posizionato sulla linea focale a una distanza f dal vertice della parabola. y x 2 4f fig. 3. Fattore di concentrazione per i collettori parabolici lineari. r Se il raggio con la massima divergenza accettata dal sistema (la linea tratteggiata in figura) deve raggiungere il ricevitore, il fattore di concentrazione che si ottiene in questa configurazione è: 2x A sena C 2D,parab C 2pr p 2D,teorico f dove a è il semiangolo di vista della parabola dal suo fuoco e 2x A è l apertura del collettore. Dalla relazione si vede che in questo semplice sistema il fattore di concentrazione massimo, che si ha per a 90, non può superare il valore di circa 70, anche senza prendere in considerazione angoli di accettazione maggiori della divergenza solare e ulteriori fonti di errore. Tenendo conto degli effettivi angoli di accettazione, degli errori di inseguimento, delle tolleranze nella realizzazione delle superfici riflettenti e di altre imprecisioni, i fattori di concentrazione nei sistemi reali a 2D non superano il valore di 30. Spesso nei sistemi a 2D si considera come superficie del ricevitore cilindrico la sua sezione piana. In tal caso il fattore di concentrazione viene calcolato facendo riferimento al diametro del ricevitore, invece che alla sua circonferenza; i valori numerici risultano quindi moltiplicati per il fattore p. Vi è comunque una classe di sistemi a concentrazione che riesce quasi a raggiungere il limite teorico: tali sistemi sono detti senza immagine (non imaging) in quanto, non mantenendo la direzione reciproca dei singoli raggi, non ricostruiscono fedelmente l immagine del disco solare. L accoppiamento di un sistema convenzionale, come quello parabolico lineare dell esempio precedente, con un sistema a concentrazione non imaging, utilizzato come secondo stadio, permette al fattore di concentrazione di avvicinarsi al valore limite teorico. All interno del ricevitore la radiazione solare concentrata viene trasformata in energia termica a temperatura tanto più elevata quanto maggiore è il fattore di concentrazione effettivo. Per formulare la legge di dipendenza della temperatura da questo fattore, si può considerare il bilancio energetico di un sistema a y a x A q c q c x 534 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

7 CONVERSIONE DELL ENERGIA SOLARE concentrazione. La potenza raggiante emessa dal Sole è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura termodinamica, per la legge di Stefan-Boltzmann. Solo una frazione di questa potenza, proporzionale al quadrato del seno dell angolo di divergenza solare (q S ), raggiunge il suolo terrestre. La potenza raggiante incidente (f S ) sull area di raccolta (A A ) risulta quindi proporzionale a: f S A A sen 2 q S TS 4 dove T S è la temperatura apparente del Sole, pari a circa K. La potenza perduta dal ricevitore (f R ), nell ipotesi di considerare in prima approssimazione solo le perdite di tipo radiativo, è proporzionale a: f R A R TR 4 avendo indicato con T R e A R rispettivamente la temperatura termodinamica e l area del ricevitore. Nell ipotesi che la potenza utile (f U ) sia una frazione h della potenza incidente, il bilancio termico del ricevitore può essere scritto come: f S f U f R hf S f R Dalle relazioni precedenti, ricordando che A A A R C, la temperatura operativa del ricevitore risulta proporzionale a: 24 T R T S [(1 h)c] 1 4 Nel grafico in fig. 4 è riportato l andamento della temperatura operativa massima del ricevitore ottenuto mediante la relazione precedente, utilizzando i valori usuali per i parametri che compaiono nella costante di proporzionalità e per l efficienza di ciascun sistema a concentrazione. Tecnologie solari L obiettivo degli impianti solari a concentrazione è quello di utilizzare l energia solare per produrre energia termica ad alta temperatura in sostituzione dei tradizionali combustibili fossili. L energia termica così prodotta può essere impiegata in vari processi industriali (quali, per esempio, la dissalazione dell acqua di mare e la produzione di idrogeno da processi termochimici) o nella produzione di energia elettrica, contribuendo in questo modo a contenere il consumo mondiale di combustibili fossili e di conseguenza le emissioni nell atmosfera. Allo stato attuale l obiettivo principale degli impianti solari a concentrazione è la generazione di energia elettrica. In questo caso l energia termica solare viene utilizzata in cicli termodinamici convenzionali come quelli con turbine a vapore, con turbine a gas o con motori Stirling. La fig. 5 mostra schematicamente le differenze tra impianti termoelettrici tradizionali e solari. Nel caso di sfruttamento della fonte solare per la produzione di energia termica, il sistema a concentrazione non comporta rischi o fastidi alle popolazioni eventualmente residenti nelle sue vicinanze. In regioni ad alta insolazione (potenza media annua superiore a 300 W/m 2 ) da un metro quadrato di superficie di raccolta è possibile ottenere annualmente un energia termica equivalente a quella derivante dalla combustione di un barile di petrolio, evitando inoltre l emissione in atmosfera di circa 500 kg di CO 2. Per ovviare alla variabilità della sorgente solare l energia termica può essere accumulata durante il giorno, rendendo il sistema più flessibile e rispondente alle esigenze dei processi produttivi. In alternativa si può ricorrere all integrazione con combustibili fossili o rinnovabili quali olio, gas naturale e biomasse. collettori piani T max 395 K collettori parabolici lineari reali T max 900 K sistemi 2D ideali T max K sistemi 3D reali T max K sistemi 3D ideali T max K temperatura ricevitore (K) fattore di concentrazione fig. 4. Dipendenza della temperatura operativa dal fattore di concentrazione. VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 535

8 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI fig. 5. Confronto tra un impianto termoelettrico tradizionale e uno alimentato da fonte solare. serbatoio del combustibile CO 2, NO x, SO 2... generatore di vapore vapore sistema convenzionale di produzione elettrica turbogeneratore a vapore acqua sistema di condensazione produzione di calore da fonte fossile pompa stazione elettrica produzione di calore da fonte solare sistema convenzionale di produzione elettrica caldo pompa vapore turbogeneratore a vapore campo solare pompa sistema di accumulo freddo acqua generatore di vapore sistema di condensazione pompa stazione elettrica Gli impianti solari possono utilizzare diverse tecnologie per la concentrazione della radiazione solare; in ogni caso è possibile identificare in essi le seguenti fasi del processo: a) raccolta e concentrazione della radiazione solare; b) conversione della radiazione solare in energia termica; c) trasporto ed eventuale accumulo dell energia termica; d) utilizzo dell energia termica. La raccolta e la concentrazione della radiazione solare, che per sua natura ha una bassa densità di potenza, rappresentano alcune delle problematiche principali degli impianti solari. Esse vengono realizzate, come già detto, mediante l impiego di un concentratore, formato da pannelli di opportuna geometria con superfici riflettenti, normalmente comuni specchi di vetro. Tutti i concentratori presenti in un impianto solare, disposti ordinatamente sul terreno e opportunamente distanziati tra loro per non interferire nella raccolta della radiazione, costituiscono il campo solare. Il ricevitore, che ha svariate forme e che può essere unico per tutto il campo solare oppure accoppiato a ciascun concentratore, trasforma l energia solare in energia termica, ceduta poi a un fluido che viene fatto passare al suo interno. L energia termica asportata dal fluido termovettore, prima dell utilizzo nel processo produttivo, può essere accumulata in diversi modi: sfruttando il calore sensibile del fluido stesso posto in serbatoi coibentati, oppure cedendo il suo calore a materiali inerti a elevata capacità termica o a sistemi in cambiamento di fase. In questo modo l energia solare, per sua natura altamente variabile, può diventare una sorgente di energia termica disponibile per l utenza con continuità. Un parametro importante che caratterizza gli impianti solari a concentrazione è il solar multiple, o moltiplicatore solare, definito come il rapporto tra la potenza termica di picco del ricevitore e la potenza termica nominale utilizzata dal processo produttivo. In assenza di un sistema di accumulo termico tale parametro risulta uguale a 1 e tutta la potenza termica raccolta viene immediatamente utilizzata; valori superiori indicano la possibilità per l impianto di accumulare l energia termica in eccesso. L utilizzo di moltiplicatori solari maggiori di 2,5 consente il funzionamento continuativo del processo produttivo nell arco della giornata. Questo vantaggio implica comunque un incremento del costo di costruzione dell impianto, proporzionale alla capacità del sistema di accumulo termico. Il dimensionamento ottimale di questo sistema va quindi stabilito con un analisi di tipo economico; per esempio, stando alle valutazioni attuali, negli impianti termoelettrici solari la capacità ottimale per i sistemi di accumulo è quella che garantisce una produzione continuativa compresa tra 6 e 10 ore, a seconda della potenza elettrica nominale, in assenza dell irraggiamento solare. Come accennato, i sistemi a concentrazione sfruttano soltanto la radiazione diretta poiché non riescono a 536 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

9 CONVERSIONE DELL ENERGIA SOLARE concentrare la radiazione diffusa; possono essere di tipo lineare o puntuale. I sistemi a concentrazione lineare sono più semplici ma hanno un più basso fattore di concentrazione e quindi raggiungono temperature di funzionamento minori rispetto ai sistemi a concentrazione puntuale. In relazione alla geometria e alla disposizione del concentratore rispetto al ricevitore si possono distinguere tre principali tipologie di impianto: il collettore a disco parabolico, il sistema a torre centrale e il collettore parabolico lineare. Collettore a disco parabolico Questo sistema utilizza un pannello riflettente di forma parabolica che insegue il Sole, con un movimento di rotazione attorno a due assi ortogonali, e concentra la radiazione solare su un ricevitore montato nel punto focale (fig. 6). L energia termica ad alta temperatura viene normalmente trasferita a un fluido e utilizzata in un motore, posizionato al di sopra del ricevitore, dove viene prodotta direttamente energia meccanica o elettrica. 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. Il progetto ottico di questo componente e l accuratezza nella sua realizzazione determinano il fattore di intercettazione e di concentrazione della radiazione solare. Il fattore di intercettazione è definito come la frazione ricevitore/motore concentratore fig. 6. Schema di principio di un disco parabolico. del flusso solare riflesso che passa attraverso la finestra di ingresso del ricevitore ed è generalmente superiore al 95%, mentre il fattore di concentrazione è già stato definito. Il ricevitore, che è l elemento tecnologicamente più avanzato, assorbe l energia della radiazione riflessa dal concentratore e la trasferisce al fluido di lavoro. La superficie assorbente è generalmente posizionata dietro il fuoco del concentratore per limitare l intensità del flusso termico solare incidente a valori dell ordine di 75 W/cm 2. Applicazioni industriali di questo sistema forniscono valori del fattore di concentrazione superiori a Con tali valori si possono ottenere temperature di funzionamento molto alte e rendimenti di conversione dell energia solare in energia elettrica anche oltre il 30%, i più elevati tra tutte le tecnologie solari attualmente esistenti. Un concentratore di 10 m di diametro, per esempio, in presenza di un flusso solare diretto di W/m 2, è in grado di erogare circa 25 kw e. Per ragioni economiche, la dimensione del concentratore non va oltre 15 m di diametro, limitando quindi la sua potenza a circa kw e. La tecnologia è comunque di tipo modulare e permette la realizzazione di centrali di produzione di piccola potenza per utenze isolate. Il motore utilizzato in questi sistemi converte l energia solare in lavoro, come nei convenzionali motori a combustione interna o esterna. Il fluido di lavoro viene compresso, riscaldato e fatto espandere attraverso una turbina o un pistone per produrre energia meccanica, che può essere utilizzata direttamente dall utenza o trasformata in energia elettrica mediante un alternatore. Sono stati studiati diversi cicli termodinamici e differenti fluidi di lavoro; le attuali applicazioni industriali utilizzano motori con cicli Stirling e Bryton. Nei motori Stirling si utilizza idrogeno o elio come fluido di lavoro, che viene alternativamente raffreddato, compresso fino a pressioni intorno a 20 MPa, riscaldato a temperature anche superiori a 700 C e poi fatto espandere. Per fare in modo che l energia solare venga trasferita al fluido di lavoro a temperatura costante, nello scambio termico viene utilizzato un fluido intermedio in cambiamento di fase. Di solito si usa un metallo liquido (sodio) che evapora in corrispondenza della superficie dell assorbitore del ricevitore e condensa sul fascio tubiero del motore. I vapori di sodio, una volta condensati, raggiungono per gravità la zona dell assorbitore, distribuendosi per capillarità su tutta la sua superficie. Il motore Bryton utilizza invece aria come fluido di lavoro, con una pressione massima di 0,25 MPa (rapporto di compressione pari a 2,5) e una temperatura di ingresso in turbina anche superiore a 850 C. Grazie alle elevate temperature raggiunte dal fluido di lavoro, il suo rendimento di trasformazione da energia solare a elettrica supera quello del motore Stirling e può arrivare a VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 537

10 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI oltre il 30%. L energia termica residua del fluido all uscita della turbina viene utilizzata per preriscaldare l aria proveniente dal compressore. In questo tipo di applicazione il ricevitore è ad assorbimento volumetrico, analogo a quello utilizzato negli impianti a torre: la radiazione solare concentrata passa attraverso una finestra di quarzo per poi essere assorbita da un sistema a matrice porosa (honeycombs e celle reticolari di materiale ceramico). Tale ricevitore fornisce elevate superfici di scambio termico con efficienze di conversione, da energia solare a termica, superiori all 80%. L energia termica al fluido può anche essere fornita da una camera di combustione a metano, per consentire il funzionamento del motore in condizioni di assenza della radiazione solare o di notte. Sistema a torre centrale Il sistema a torre con ricevitore centrale (fig. 7) utilizza pannelli riflettenti piani (eliostati) che inseguono il Sole con un movimento di rotazione su due assi, concentrando la luce solare verso un unico ricevitore; questo è montato sulla sommità di una torre e al suo interno viene fatto circolare un fluido per l asportazione dell energia solare. L energia termica che così si rende disponibile può essere sfruttata in vari processi, in particolare per la produzione di energia elettrica. Il principio di funzionamento è analogo a quello del sistema a disco parabolico, con il concentratore costituito però da un elevato numero di eliostati a formare una superficie di raccolta, o captante, che può arrivare a centinaia di migliaia di m 2. I raggi solari che colpiscono ricevitore eliostati fig. 7. Schema di principio di un sistema a torre centrale. ciascun eliostato vengono riflessi su un punto unico, fisso nel tempo, che funge da punto focale. L altezza, rispetto al suolo, del punto focale cresce all aumentare dell estensione del campo solare e può superare anche il centinaio di metri. Gli eliostati sono dislocati in modo da circondare completamente la torre oppure sono posti a emiciclo verso nord; sono distanziati per evitare fenomeni di ombreggiamento e la loro distanza aumenta allontanandosi dalla torre. Sono state studiate diverse tipologie di eliostati per migliorare l efficienza ottica e il controllo dei sistemi di inseguimento del Sole, nonché per ottimizzare la struttura di supporto, rendendola più semplice e leggera. Ciò al fine di aumentare il rendimento dell impianto e ridurne i costi. La superficie captante di ciascun eliostato varia da circa 40 a 170 m 2 ; come materiale riflettente si utilizzano normalmente specchi di vetro, ma sono stati sperimentati anche materiali alternativi quali membrane riflettenti o fogli metallici. Il fattore di concentrazione di questi impianti risulta superiore a 700. L elevato fattore di concentrazione permette al fluido termovettore di raggiungere alte temperature di esercizio (maggiori di 500 C), con conseguenti alti rendimenti di trasformazione dell energia termica in energia elettrica. In genere la trasformazione avviene sfruttando l energia termica in un tradizionale ciclo termodinamico acqua-vapore. Le caratteristiche del vapore prodotto (temperatura e pressione) consentono anche di integrare i sistemi a torre negli impianti termoelettrici a combustibili fossili. Inoltre questi impianti a concentrazione hanno la possibilità di alimentare un sistema di accumulo termico per coprire in modo più soddisfacente la domanda di energia dall utenza. Il sistema a torre ha dimostrato la sua fattibilità tecnologica nella produzione di energia elettrica attraverso la realizzazione e l esercizio di numerosi impianti sperimentali di piccola taglia (tra 0,5 e 10 MW) in diversi paesi del mondo (Spagna, Italia, Giappone, Francia, Stati Uniti); per applicazioni su larga scala necessita tuttavia di ulteriori verifiche. La più recente applicazione di questa tecnologia ha riguardato l impianto americano Solar Two, rimasto in esercizio fino all aprile L impianto, della potenza di 10 MW, aveva un campo solare costituito da eliostati, per una superficie captante totale di circa m 2, e una torre alta 85 m. Utilizzava come fluido termovettore una miscela di sali fusi (nitrato di sodio e di potassio), con una temperatura massima di esercizio di 565 C, e aveva un sistema di accumulo costituito da due serbatoi cilindrici (caldo e freddo) di circa 11 m di diametro e 8 m di altezza, per un autonomia massima di circa tre ore a piena potenza in assenza di radiazione solare. Sono stati sperimentati diversi fluidi per lo scambio termico all interno del ricevitore e per l accumulo 538 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

11 CONVERSIONE DELL ENERGIA SOLARE dell energia termica: acqua, aria, sodio e sali fusi. Finora il fluido più adatto per questa tecnologia è risultato essere una miscela di sali fusi composta da nitrati di sodio e potassio (alla base dei comuni fertilizzanti utilizzati in agricoltura). La scelta dei sali fusi è dovuta principalmente al buon coefficiente di scambio termico, alla elevata capacità termica, alla bassa tensione di vapore, alla buona stabilità chimica e al basso costo. I sali consentono di raggiungere alte temperature di esercizio (fino a 600 C); inoltre possono essere direttamente utilizzati per l accumulo dell energia termica in serbatoi compatti e a pressione atmosferica senza l utilizzo di scambiatori di calore aggiuntivi. Lo schema funzionale tipico di un impianto a torre, che utilizza sali fusi come fluido termovettore e per l accumulo termico, è mostrato in fig. 8. I sali, prelevati dal serbatoio a bassa temperatura (290 C), vengono inviati sulla sommità della torre e fatti circolare attraverso il ricevitore, costituito da un insieme di serpentine di tubi di acciaio montate su pannelli piani assorbitori; si riscaldano così fino a circa 565 C e vanno poi a riempire progressivamente il serbatoio di accumulo ad alta temperatura. La loro portata viene regolata, in funzione dell intensità della radiazione solare, in modo da mantenere costante la temperatura in uscita dal ricevitore. Quando è richiesta la produzione di energia elettrica, i sali dal serbatoio caldo vengono inviati a uno scambiatore di calore (generatore di vapore), dove viene prodotto vapore ad alta pressione ed elevata temperatura (12 MPa, 540 C). Il vapore è poi utilizzato in un ciclo termoelettrico convenzionale: viene fatto espandere in un gruppo turbina-alternatore, per produrre energia elettrica, quindi viene condensato, preriscaldato e inviato di nuovo al generatore di vapore. Il dimensionamento di un impianto solare (numero degli eliostati, potenza termica del ricevitore e capacità dell accumulo termico) dipende dalla potenza elettrica dell impianto di generazione e dal suo fattore di utilizzazione annua, o fattore di carico, che rappresenta il rapporto tra l energia elettrica prodotta e quella producibile annualmente se l impianto lavorasse sempre alla potenza elettrica nominale. Senza un sistema di accumulo termico, l impianto di generazione può operare solamente in presenza della radiazione solare e avere al massimo un fattore di carico di circa il 25%. Per ottenere valori superiori è necessario ricorrere all accumulo termico; in questo caso il funzionamento dell impianto può anche essere continuativo in tutto l arco della giornata, a esclusione della fase iniziale in cui avviene il caricamento del sistema. A titolo di esempio, per avere un fattore di carico del 70% è richiesta una capacità di accumulo termico pari a circa 15 ore di funzionamento, in condizioni nominali e in assenza di radiazione solare, cui corrisponde un moltiplicatore solare pari a 3, cioè un campo solare di estensione tre volte superiore rispetto a quello in assenza del sistema di accumulo. Ovviamente, come già detto, all aumentare delle dimensioni del campo solare è necessario realizzare torri di maggiore altezza. L elevato fattore di concentrazione permette a questa tecnologia di raggiungere temperature di esercizio ancor più elevate quando, per l asportazione dell energia solare, si impiega come fluido termovettore un gas (in genere aria). In questo caso viene utilizzato un ricevitore volumetrico pressurizzato a cavità, che può riscaldare fino a una temperatura limite di C. Il ricevitore è costituito da numerosi moduli in successione, ognuno dei quali incrementa di circa 150 C la temperatura del gas che vi fluisce. Ciascun modulo attualmente può fornire una potenza termica di circa 500 kw e. Lo schema di funzionamento di un modulo del ricevitore è mostrato in fig. 9. La radiazione solare, concentrata dagli eliostati, arriva su ciascun modulo del ricevitore dove, tramite un concentratore secondario, subisce un ulteriore concentrazione fino a raggiungere un fattore complessivo di circa Attraversa quindi una finestra semisferica di quarzo e arriva sull assorbitore posto all interno di un fig. 8. Schema funzionale di un impianto a torre con accumulo termico. generatore di vapore caldo 565 C serbatoi di accumulo freddo 290 C sale fuso turbina e generatore elettrico condensatore VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 539

12 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI fig. 9. Schema di funzionamento di un modulo di ricevitore. concentratore secondario contenitore pressurizzato isolamento ingresso gas radiazione solare concentrata uscita gas finestra di quarzo assorbitore contenitore pressurizzato. L assorbitore è costituito da una struttura porosa metallica o ceramica e, in presenza di radiazione, raggiunge temperature operative tra 800 e C. Il gas in pressione, a circa 1,5 MPa, fluisce attraverso l assorbitore di più moduli e si scalda progressivamente fino a 800 C, nel caso di utilizzo di assorbitori metallici, o fino a C, nel caso di assorbitori di tipo ceramico. In un impianto termoelettrico solare, il gas caldo può essere utilizzato per la produzione di vapore o, in modo più efficiente, direttamente in un ciclo combinato gas-vapore. Lo schema di funzionamento di quest ultimo, in un impianto a torre che utilizza aria come fluido termovettore, è mostrato in fig. 10. L aria, all uscita dal compressore, è inviata nel ricevitore dove viene riscaldata e quindi fatta espandere nella turbina a gas. La sua temperatura di ingresso in turbina può essere regolata, in caso di ridotta radiazione solare, bruciando metano nella camera di combustione integrativa. I gas ancora caldi, che escono dalla turbina, vengono inviati in una caldaia a recupero per la produzione di vapore, utilizzato poi nel relativo ciclo. Quando si impiega un gas come fluido termovettore, l accumulo dell energia termica può essere ottenuto con materiali ceramici ad alta capacità termica, posti all interno di appositi contenitori. Un ulteriore evoluzione di questo sistema a concentrazione consiste nel posizionare il ricevitore volumetrico ai piedi della torre (fig. 11). In tal caso è necessario utilizzare un riflettore a forma di iperboloide, installato sulla torre, per far arrivare sul ricevitore la radiazione solare diretta. Questa soluzione presenta, specialmente per campi solari di grandi estensioni, un migliore rendimento ottico (si riducono le aberrazioni ottiche e si aumenta il fattore di concentrazione), una distribuzione più stabile del flusso termico e una semplificazione dell impianto (tutte le apparecchiature sono posizionate al suolo). Collettore parabolico lineare Il sistema a collettore parabolico lineare (fig. 12) è, tra le tecnologie solari termiche per la produzione di energia elettrica su larga scala, quella che ha raggiunto la maggiore maturità commerciale, come ampiamente dimostrato dall esperienza di esercizio degli impianti SEGS (Solar Electric Generating Systems). Infatti, come già ricordato, da metà degli anni Ottanta del 20 secolo sono in funzione in California, nel Deserto del Mojave, 9 di questi impianti per una potenza complessiva di 354 MW. Tale tecnologia utilizza un concentratore lineare a profilo parabolico, la cui superficie riflettente insegue il Sole ruotando su un solo asse; la radiazione viene fig. 10. Schema di funzionamento di un impianto a torre accoppiato a un ciclo combinato. ricevitore volumetrico combustore (opzionale) compresssore generatore di vapore turbina a vapore eliostati aria turbina a gas camino condensatore 540 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

13 CONVERSIONE DELL ENERGIA SOLARE fig. 11. Schema di un impianto a torre con ricevitore a terra. riflettore della torre ricevitore eliostati focalizzata su un tubo ricevitore posizionato lungo il fuoco della parabola. L energia solare assorbita dal tubo ricevitore è trasferita a un fluido di lavoro che viene fatto fluire al suo interno. L energia termica raccolta è utilizzata normalmente per la produzione di energia elettrica mediante i tradizionali cicli termodinamici acqua-vapore. Nel collettore la temperatura massima di funzionamento dipende essenzialmente dal fluido termovettore utilizzato; negli impianti attualmente in esercizio si arriva a circa 390 C. Il concentratore ha una struttura di supporto in acciaio, realizzata con una trave centrale e una serie di bracci per l ancoraggio dei pannelli riflettenti, che ne garantisce il corretto funzionamento sotto l azione del vento e degli altri agenti atmosferici. Il pannello riflettente è normalmente costituito da un comune specchio di vetro di adeguato spessore. In alternativa può essere impiegato un pannello in materiale composito (honeycomb) con uno specchio sottile in vetro o una pellicola riflettente incollata sulla superficie esterna. Il collettore parabolico ha un apertura di circa 6 m e una distanza focale di poco inferiore a 2 m. Il fattore di concentrazione, riferito al diametro del ricevitore, risulta di circa 80. Inizialmente la sua lunghezza era di 50 m, successivamente è stata portata a 100 m e attualmente si stanno sperimentando strutture della lunghezza di 150 m. Al centro del collettore è presente il meccanismo che ne consente la rotazione per inseguire il percorso del Sole. Il fluido termovettore, muovendosi all interno del tubo ricevitore, si riscalda progressivamente; pertanto, affinché possa raggiungere in uscita la temperatura di esercizio richiesta, devono essere collegati in serie più collettori, disposti in genere su due file parallele per una fig. 12. Schema di principio di un sistema a collettori parabolici lineari. ricevitore concentratore VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 541

14 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI lunghezza complessiva di circa 600 m, a costituire una stringa che rappresenta il modulo unitario dell impianto. Aggiungendo più moduli in parallelo si può aumentare a piacere la potenza termica prodotta. Le file di collettori devono essere distanziate tra loro per evitare fenomeni di ombreggiamento reciproco; normalmente il passo tra file contigue è di 2-3 volte l apertura del collettore. La loro disposizione sul terreno dipende essenzialmente dalla conformazione del sito. La disposizione classica è quella con l asse dei collettori orientato lungo la direzione nord-sud, quindi con inseguimento del Sole in direzione est-ovest, che consente di ottenere una migliore raccolta dell energia solare, specialmente nei mesi estivi. L impianto per la produzione di energia elettrica è al centro del campo solare. L efficienza di questa tecnologia dipende dal rendimento ottico del concentratore (accuratezza della struttura e caratteristiche dei pannelli riflettenti) ma soprattutto dal rendimento di conversione del tubo ricevitore, che deve assorbire la massima energia solare concentrata e avere le minime dispersioni termiche. Il ricevitore, mantenuto in posizione lungo la linea focale dei concentratori, ruota rigidamente con questi durante l inseguimento del Sole ed è formato da elementi della lunghezza di circa 4 m, collegati in serie. Ciascun elemento è costituito da due cilindri concentrici: un tubo di vetro esterno di circa 12 cm di diametro e un tubo interno di acciaio di circa 7 cm di diametro, collegati tra loro con soffietti metallici per compensare le differenti dilatazioni termiche tra i due materiali. Sulla superficie esterna del tubo di acciaio viene depositato un opportuno rivestimento selettivo in grado di massimizzare l assorbimento della radiazione solare nello spettro visibile e minimizzare le emissioni di radiazione nell infrarosso, generate dall alta temperatura raggiunta dal tubo durante l esercizio. Nell intercapedine tra tubo e vetro viene fatto il vuoto per ridurre le dispersioni termiche convettive. Lo schema di funzionamento di un impianto SEGS è riportato in fig. 13. Il fluido termovettore pompato attraverso le stringhe di collettori si scalda, per effetto della radiazione solare, raggiungendo la massima temperatura di funzionamento. L energia termica così acquisita viene utilizzata successivamente in un ciclo Rankine (a vapore) per la produzione di energia elettrica. Nell impianto può essere presente una caldaia ausiliaria di integrazione alimentata con combustibili fossili, in grado di fornire vapore anche in assenza della radiazione solare e di rendere così la produzione elettrica più rispondente alla domanda da parte dell utenza. Una soluzione alternativa alla caldaia di integrazione è un sistema di accumulo che consenta di immagazzinare l energia termica solare per renderla disponibile quando necessario, trasformando la fonte solare, per sua natura altamente variabile, in una sorgente di energia continua e modulabile nell arco dell intera giornata. Gli impianti attualmente in esercizio utilizzano come fluido termovettore, per l asportazione del calore solare, un olio sintetico (Therminol VP-1), che però ha un elevato costo e, presentando anche rischi di impatto ambientale in caso di fuoriuscita, non è idoneo per l utilizzo in un sistema di accumulo. Per questo negli impianti è sempre presente una caldaia di integrazione a metano, che può fornire fino al 25% dell energia termica utilizzata dal sistema di generazione. Con l obiettivo di risolvere i problemi legati al fluido termovettore e migliorare la competitività di questa tecnologia, in diversi centri di ricerca si sta sperimentando l utilizzo di fluidi alternativi quali l acqua, con produzione diretta del vapore, e i sali fusi. Questi ultimi consentono un notevole aumento della temperatura massima di esercizio (da 390 a 550 C) e possono essere utilizzati direttamente per l accumulo termico, come già sperimentato negli impianti a torre. Per tali motivi i sali caldaia ausiliaria (opzionale) collettori parabolici lineari 290 C 390 C vapore surriscaldato torre di raffreddamento fluido termovettore (olio) generatore di vapore fig. 13. Schema di funzionamento di un impianto SEGS. flusso d acqua turbina a vapore generatore elettrico condensatore acqua di raffreddamento 542 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

15 CONVERSIONE DELL ENERGIA SOLARE fig. 14. Schema di funzionamento dell impianto ENEA. caldo 550 C serbatoi di accumulo generatore di vapore freddo turbina e generatore elettrico condensatore 290 C sale fuso fusi sono stati scelti come fluido termovettore nel progetto italiano di impianto solare a concentrazione sviluppato dall ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente). Lo schema dell impianto è riportato in fig. 14. I sali fusi, costituiti da una miscela di nitrati di sodio e di potassio, sono prelevati dal serbatoio a più bassa temperatura (290 C); vengono fatti circolare nei tubi ricevitori delle stringhe di collettori solari, si riscaldano fino a circa 550 C e vengono inviati al serbatoio ad alta temperatura, a costituire l accumulo termico. I sali fusi provenienti dal serbatoio caldo sono poi mandati in uno scambiatore di calore per la produzione di vapore, utilizzato dal sistema di generazione elettrica, e quindi reimmessi nel serbatoio freddo. La temperatura di esercizio dell impianto viene controllata regolando opportunamente la portata dei sali nelle stringhe di collettori in funzione dell intensità della radiazione solare. Poiché la miscela di sali inizia a solidificare a una temperatura di circa 240 C, è necessario che la temperatura minima di esercizio dell impianto sia mantenuta, con un adeguato margine, al di sopra di tale valore per evitare ostruzioni nei circuiti. Le alte temperature di esercizio che può raggiungere il fluido termovettore, qualità peculiare del progetto dell ENEA, consentono un agevole integrazione di questo impianto solare con gli impianti termoelettrici a combustibili fossili, inclusi i più moderni a ciclo combinato, ottenendo in tal modo più alti rendimenti finali di conversione. Un evoluzione del collettore parabolico lineare, ancora in fase di sperimentazione, è rappresentata dal collettore lineare Fresnel (fig. 15), dove il concentratore è sostituito da segmenti di specchi parabolici disposti secondo il principio della lente Fresnel. In questo caso il tubo ricevitore è posizionato nel punto focale ed è fisso; a differenza del collettore parabolico lineare, la movimentazione riguarda quindi solo il concentratore. Ciò rappresenta un vantaggio in quanto, per far circolare il fluido termovettore, si evita l utilizzo di tubi flessibili nel collegamento tra i singoli collettori e tra questi e le tubazioni della rete di distribuzione. Inoltre, non essendo presente fig. 15. Il sistema Fresnel. riflettore secondario tubo ricevitore acqua/vapore radiazione solare radiazione solare riflessa finestra di vetro riflettore secondario tubo ricevitore riflettore primario Fresnel VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 543

16 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI tab. 1. Principali parametri degli impianti solari a concentrazione Potenza (MW e ) Fattore di concentrazione Efficienza solare di picco 2 (%) Efficienza solare media annua 2 (%) Rendimento ciclo termodinamico (%) Fattore di carico 3 (%) Superficie occupata, m 2 /(MWh/a) Parabolico lineare TV Fresnel TV Torre solare TV CC Disco parabolico 0,01-0, MS TG Dato stimato 2 Efficienza solare = produzione elettrica netta/radiazione solare diretta normale 3 Fattore di carico = ore di funzionamento impianto solare/8.760 ore annue 4 Fattore di concentrazione riferito al diametro del ricevitore TV, Turbina a Vapore; CC, Ciclo Combinato; MS, Motore Stirling; TG, Turbina a Gas l effetto ombra tra concentratori vicini, non è necessario distanziare le file di collettori, ottenendo così un migliore sfruttamento della radiazione che arriva sul terreno. Normalmente tale tipo di impianti utilizza l acqua come fluido termovettore, con produzione diretta di vapore all interno del tubo ricevitore. La tab. 1 mostra i principali parametri tecnici delle filiere tecnologiche precedentemente descritte. I dati riportati sono stati ricavati dall esercizio di impianti esistenti (collettore parabolico lineare e disco parabolico) o da proiezioni sulla base delle prestazioni ottenute in impianti dimostrativi di piccola taglia. Produzione di idrogeno da fonte solare L energia termica ad alta temperatura, ottenuta dagli impianti solari a concentrazione, può essere utilizzata, oltre che per la produzione di energia elettrica, anche in vari processi industriali, in particolare per la produzione di idrogeno mediante processi termochimici. L idrogeno è attualmente prodotto su scala industriale a partire dai combustibili fossili. Tra i metodi di produzione dell idrogeno dall acqua, l elettrolisi rappresenta quello più maturo, caratterizzato da un rendimento termico globale intorno al 36%, tenendo conto del rendimento di trasformazione dell energia termica in elettricità (40%) e della resa intrinseca dello stadio elettrochimico (90%). Da un punto di vista energetico risultano dunque più vantaggiosi quei metodi in cui la conversione dell energia termica avviene in maniera diretta, siano essi alimentati da fonte rinnovabile o non rinnovabile. Tra questi, attualmente, la scissione termica dell acqua risulta non praticabile, a causa delle elevate temperature richieste ( C) e delle difficoltà tecniche legate alla separazione dell ossigeno dall idrogeno, una volta che questi elementi si sono formati. I cicli termochimici, costituiti da una serie di reazioni ossidoriduttive che coinvolgono sostanze intermedie di natura diversa, rappresentano una valida alternativa alla scissione diretta dell acqua; permettono di abbassare sensibilmente la barriera energetica e la temperatura a cui l energia termica va somministrata ( C) e di effettuare la separazione dell idrogeno e dell ossigeno in fasi diverse del ciclo. Questa tipologia di processi è nota fin dagli anni Settanta del 20 secolo, ma negli ultimi anni è oggetto di rinnovato interesse, sulla spinta delle sempre più impellenti problematiche ambientali. La possibilità di alimentare termicamente tali cicli mediante energia solare rende questi processi produttivi completamente rinnovabili e quindi perfettamente compatibili con una strategia di sviluppo sostenibile. Nella fig. 16 è riportato uno schema semplificato della produzione di idrogeno basata sull utilizzo della fonte solare come sorgente di energia termica. Date le alte temperature richieste dal processo termochimico, i sistemi a concentrazione più adatti sono il disco parabolico e la torre centrale. L energia termica assorbita nel ricevitore viene utilizzata per alimentare un reattore chimico in cui avvengono le reazioni per la scissione dell acqua. Tra i vari processi termochimici, il ciclo zolfo-iodio, proposto negli anni Settanta da General Atomics e attualmente allo studio presso diversi istituti di ricerca, rappresenta una delle opzioni più promettenti. Tale ciclo si articola principalmente in tre reazioni, due esotermiche e una endotermica, il cui risultato complessivo risulta essere la dissociazione dell acqua in idrogeno e ossigeno, come schematizzato nella fig ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

17 CONVERSIONE DELL ENERGIA SOLARE fig. 16. Schema semplificato della produzione di idrogeno da fonte solare. concentrazione radiazione solare reattore chimico energia termica ad alta temperatura H 2 O H 2 1/2O 2 Prospettive di mercato Esaminati i contributi potenziali della fonte solare alla soluzione dei futuri problemi energetici e ambientali, nonché le tecnologie sviluppate o in corso di sviluppo per il suo sfruttamento, occorre evidenziare gli ostacoli che fino a oggi hanno impedito il decollo di questa fonte rinnovabile a livello commerciale e analizzare le sue prospettive di penetrazione nel mercato energetico mondiale. Il principale ostacolo è legato all elevato costo di investimento unitario richiesto dagli impianti termoelettrici solari, da 2,5 a 4 volte superiore a quello degli impianti a combustibili fossili. Considerata la maggiore incidenza dei costi di esercizio e manutenzione nonché il minor fattore di carico, il costo del kilowattora prodotto dagli impianti a concentrazione in esercizio, nonostante la scarsa incidenza della voce combustibile, è stato finora almeno il doppio di quello di un impianto tradizionale a combustibile fossile. Un altro ostacolo è legato al rischio tecnico associato a questa tecnologia che, benché possa considerarsi ormai provata e matura a livello industriale, viene ancora percepita come nuova e dalle prestazioni poco affidabili. Gioca inoltre a suo sfavore la variabilità della fonte solare, cui però si potrà far fronte con un sistema di accumulo energetico affidabile ed economico. La valutazione dei costi esterni associati alle emissioni rilasciate nell ambiente dalle varie tipologie di impianti di produzione, trascurabili per gli impianti solari a concentrazione, potrebbe in futuro rappresentare un elemento decisivo per la loro diffusione. Nei prossimi vent anni la potenziale produzione mondiale per gli impianti termoelettrici solari è stimata pari a una potenza elettrica installata di 600 GW. Molti di questi impianti dovranno essere realizzati, secondo le previsioni, nei paesi in via di sviluppo. Dal momento che attualmente tali impianti hanno un costo unitario di installazione assai superiore a quello degli impianti termoelettrici tradizionali, nel breve termine la loro nicchia di mercato sarà limitata alle località dove i combustibili fossili hanno prezzi unitari molto elevati. Nel medio termine si prevede una penetrazione crescente della tecnologia, a un tasso annuale legato principalmente alla progressiva riduzione che verrà conseguita sul costo del kilowattora prodotto, alle politiche di incentivazione e di sostegno, al futuro andamento dei prezzi internazionali dei combustibili fossili. Affinché gli impianti termoelettrici solari possano raggiungere una reale competitività sul mercato, dovranno essere in grado di erogare energia quando è richiesta fig. 17. Schema del ciclo zolfo-iodio. O 2 H 2 SO 4 H 2 O H 2 SO 4 H 2 O SO 2 0,5O C H 371 kj/mol SO 2 I 2 SO 2 2H 2 O 2HI H 2 SO C H 165 kj/mol 2HI H 2 I C H 173 kj/mol I 2 H 2 HI VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 545

18 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI dall utenza, svincolandosi il più possibile dalla variabilità dell irraggiamento solare. Solo in tal modo questi impianti potranno consentire di far fronte in modo affidabile alla domanda di carico sulla rete, senza obbligare il gestore a tenere a disposizione impianti di riserva di tipo tradizionale, cui ricorrere in caso di imprevedibile e improvvisa riduzione o mancanza della potenza generata dalla fonte solare. Come si è visto in precedenza, ciò sarà possibile solo se gli impianti solari a concentrazione verranno dotati di un adeguato sistema di accumulo dell energia, che consenta loro di erogare potenza seguendo le variazioni della domanda, compensando le fluttuazioni della radiazione solare diretta durante il giorno e la sua assenza di notte. L introduzione di un sistema di accumulo permetterà anche un sostanziale miglioramento del fattore di carico dell impianto di generazione, in quanto determinerà un aumento delle sue ore annue di funzionamento. Una caratteristica che potrà favorire la diffusione degli impianti solari a concentrazione è la possibilità di integrarli in impianti termoelettrici tradizionali, anche già in esercizio, per incrementarne la potenza complessiva. Ciò consentirà di ridurre i costi di investimento unitari degli impianti solari termodinamici e di modulare ampiamente, anche nell arco della giornata, la loro potenza senza le drastiche diminuzioni di rendimento, nel ciclo a vapore per la generazione elettrica, tipiche di un impianto esclusivamente solare. Un altro aspetto che potrebbe far decollare il mercato è legato alla possibilità di localizzare gli impianti solari a concentrazione nelle aree a elevata insolazione e trasferire poi l energia prodotta in eccesso rispetto alla domanda locale, generalmente scarsa, verso paesi con una notevole e/o crescente domanda di energia elettrica. È importante tenere presente, al riguardo, che il trasferimento di energia elettrica su lunghe distanze, anche di diverse migliaia di chilometri, è già adesso tecnicamente ed economicamente fattibile con linee e cavi sottomarini in corrente continua ad alta tensione (tecnologia di trasmissione HVDC, High Voltage Direct Current). Da questo punto di vista l area mediterranea potrebbe assumere un ruolo trainante per gli scambi tra i paesi europei, forti consumatori di energia elettrica ma dotati di scarse risorse energetiche, e i paesi dell Africa settentrionale e del Medio Oriente, i quali hanno grandi disponibilità di aree a elevata insolazione diretta e di fonti energetiche primarie. Già oggi esiste una quasi completa interconnessione ad anello tra le reti elettriche in corrente alternata dei paesi mediterranei e un collegamento sottomarino in corrente continua tra Italia e Grecia. Inoltre, per potenziare l interconnessione tra l Europa e i paesi dell Africa settentrionale sono in corso di progettazione collegamenti sottomarini in corrente continua con una capacità di trasporto complessiva di diverse migliaia di megawatt. La rapida realizzazione di queste interconnessioni potrebbe stimolare forti investimenti da parte delle imprese europee per costruire e gestire centrali in Africa settentrionale, eventualmente in compartecipazione con imprese locali. Questo faciliterebbe sicuramente anche la costruzione di centrali termoelettriche solari, inizialmente integrate con quelle a combustibili fossili e successivamente, con la diminuzione dei costi indotta dalla crescita del volume di mercato, esclusivamente solari, da realizzare nelle zone desertiche. Bibliografia generale Butti K., Perlin J. (1980) A golden thread: 2500 years of solar architecture and technology, Palo Alto (CA), Cheshire Books. Dickinson W.C., Cheremisinoff P.N. (1980) Solar energy technology handbook. Part A: Engineering fundamentals, New York, Marcel Dekker. ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente) (2004) Progetto Archimede. Realizzazione di un impianto solare termodinamico integrativo presso la centrale ENEL di Priolo Gargallo (SR), ENEA/SOL/RS/ ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente) (2004) Rapporto energia e ambiente 2003, Roma, ENEA. EPRI (Electric Power Research Institute)/DOE (US Department of Energy) (1997) Renewable energy technology characterizations, Topical Report TR , December. Kubo S. et al. (2004) A demonstration study on closed-cycle hydrogen production by the thermochemical water-splitting iodine-sulfur process, «Nuclear Engineering and Design», 233, Müller-Steinhagen Freng H., Trieb F. (2004) Concentrating solar power: a review of the technology, «Ingenia», 18. Smith C. (1995) Revisiting of solar power s past, «Technology Review», 98, Winter C.J. et al. (1991) Solar power plants. Fundamentals, technology, systems economics, New York, Springer. Bibliografia citata Solar Millenium AG (2003) Financing the future. The Solar Millenium share. Mauro Vignolini Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente Centro Ricerche Casaccia Santa Maria in Galeria, Roma, Italia 546 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

19 6.1.2 Tecnologie fotovoltaiche Introduzione L effetto fotovoltaico consiste nell insorgere di una forza elettromotrice in un mezzo elettricamente eterogeneo investito da radiazioni elettromagnetiche. La denominazione deriva dal fatto che il fenomeno fu scoperto da Edmond Becquerel nel 1839 in una cella elettrolitica o voltaica. Il fenomeno è tipico delle giunzioni semiconduttore-metallo o semiconduttore-semiconduttore; se la giunzione è illuminata in essa si creano coppie elettronelacuna a spese dell energia dei fotoni incidenti: la barriera di potenziale localizzata nella giunzione spinge le lacune verso la zona a potenziale minore e gli elettroni in verso opposto e si genera così una forza elettromotrice (dell ordine di qualche decimo di volt); se la giunzione fa parte di un circuito chiuso, si ha il passaggio di una corrente elettrica. Tale effetto trova applicazione nella conversione diretta (indicata come energia fotovoltaica, elettricità solare o, più brevemente, fotovoltaico) di energia luminosa solare in energia elettrica a opera di opportuni dispositivi detti celle solari. Le singole celle solari vengono collegate tra loro elettricamente per formare dei moduli, sigillati per resistere in ambiente esterno per molti anni. I moduli possono essere utilizzati singolarmente o connessi elettricamente in campi cosiddetti fotovoltaici. I sistemi fotovoltaici sono di vari tipi: ad accumulo mediante parchi di batterie di accumulatori, direttamente collegati alla rete elettrica, o per uso su piccole utenze. Storia della tecnologia e delle sue applicazioni L effetto fotovoltaico fu scoperto e studiato nell ambito di sperimentazioni in discipline diverse. Come accennato, E. Becquerel osservò che si sviluppavano deboli tensioni illuminando uno degli elettrodi di una cella elettrolitica. Le prime celle solari funzionanti furono realizzate da W.G. Adams e R.E. Day con un solido, il selenio, verso la fine del La spiegazione del fenomeno tuttavia avvenne solo in seguito all interpretazione quantistica dell effetto fotoelettrico data da A. Einstein produzione annuale fotovoltaico (MW) fig. 1. Previsione di crescita regionale e totale del mercato al L elettricità solare ha molti aspetti positivi: è a basso impatto ambientale, è rinnovabile, è modulare e può essere utilizzata direttamente sul luogo di produzione. Di contro è una fonte di energia costosa, intermittente e a bassa densità. Inoltre il rendimento, o efficienza, di conversione della radiazione solare in energia elettrica è piuttosto modesto, di circa il 15% per le celle solari industriali, il che implica la necessità di coprire grandi superfici. Il mercato fotovoltaico, grazie soprattutto a incentivi governativi volti a favorire l uso di fonti rinnovabili a basso impatto ambientale, è in forte crescita a partire dalla fine degli anni Novanta (fig. 1). Tuttavia, perché questa possa diventare una fonte di energia significativa a livello mondiale, occorrono un notevole progresso tecnologico e una forte riduzione del costo. Le attività in corso nel mondo, in termini di ricerca e sviluppo, sono volte a questi obiettivi Stati Uniti Giappone Europa resto del mondo totale * * obiettivo Libro Bianco della Commissione Europea anno VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 547

20 GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI nel Perché si realizzassero i primi dispositivi fotovoltaici con rendimento di conversione significativo, si dovette comunque attendere il 1954, quando i ricercatori dei Bell Laboratories (United States), realizzarono la prima cella solare al silicio con rendimento del 6%. La prima commercializzazione delle celle Bell, realizzate su piccola scala industriale, trovò grandissimi ostacoli a causa dei costi proibitivi. Le applicazioni principali fino agli anni Settanta furono i sistemi di alimentazione elettrica per satelliti artificiali, data l assenza di valide alternative. La corsa allo spazio di americani e sovietici e la necessità di migliorare i sistemi di alimentazione elettrica dei satelliti indussero il governo statunitense a finanziare programmi di ricerca sul fotovoltaico, permettendo al contempo il sorgere di iniziative industriali specializzate. I costi delle celle solari scesero così notevolmente, rimanendo tuttavia improponibili per applicazioni diverse da quelle spaziali o militari. L utilizzazione di energia fotovoltaica per applicazioni terrestri fu legata allo sviluppo, all inizio degli anni Settanta, di tecnologie con specifiche meno stringenti di quelle necessarie per le celle impiegate nelle applicazioni spaziali. In tal modo fu possibile abbassare i costi intorno ai dollari/w. Ma anche così il costo dell energia prodotta con i moduli fotovoltaici era pari a circa 40 volte il costo dell energia elettrica convenzionale; le prime produzioni per uso terrestre furono perciò dedicate essenzialmente ad applicazioni in siti remoti o non facilmente raggiungibili dalla rete elettrica. Crebbe così un mercato dedicato all elettrificazione di piattaforme petrolifere, all alimentazione, in particolare, di sistemi anticorrosione per i pozzi petroliferi e per le condutture, all alimentazione di sistemi di comunicazione o di segnalazioni marine, oltre che all elettrificazione di villaggi rurali in paesi in via di sviluppo. Questo primo mercato terrestre favorì il sorgere delle prime iniziative industriali in varie parti del mondo, con produzioni in serie piuttosto artigianali e aziende produttrici molto piccole. Funzionamento dei dispositivi fotovoltaici Il funzionamento delle celle solari è legato alla complessa interazione fra luce e materia e coinvolge la natura e le caratteristiche della luce, la fisica dei materiali e la realizzazione di dispositivi elettronici. Si riporta di seguito una breve trattazione delle proprietà dei semiconduttori, volta alla comprensione dei principali meccanismi di funzionamento delle celle solari. Si è cercato quanto più possibile di ridurre il formalismo e di semplificare l esposizione, anche se i fenomeni in oggetto richiedono una trattazione quantistica della struttura e delle proprietà della materia e delle sue interazioni con le radiazioni elettromagnetiche. Radiazione solare Il Sole emette luce in un ampio intervallo di lunghezze d onda, di cui l occhio umano percepisce solo la frazione visibile. Nel 1900, M. Planck risolse le discrepanze tra le osservazioni sperimentali sullo spettro della radiazione elettromagnetica in equilibrio termico e la teoria classica del fenomeno, introducendo il concetto di quanto di energia. Successivamente A. Einstein (1905) evidenziò il comportamento corpuscolare della radiazione e legò l energia E del singolo fotone alla lunghezza d onda l mediante la relazione E hc/l, dove h, pari a 6, J s, è la costante di Planck e c, pari a 2, m/s, è la velocità della luce nel vuoto. Nella descrizione quantistica della radiazione elettromagnetica intervengono aspetti ondulatori e corpuscolari (dualismo onda-corpuscolo). La distribuzione spettrale F(l) della radiazione solare, trattata come l emissione da un corpo nero, è descritta dalla legge di Planck (densità di energia per unità di tempo e di lunghezza d onda): F(l) phc 2 hc l 5 exp 11 klt 1 dove k 1, , J/K è la costante di Boltzmann e T la temperatura termodinamica del corpo nero (nel caso del Sole la temperatura apparente della superficie è pari a circa K). L integrale della distribuzione spettrale su tutte le lunghezze d onda dà la densità di potenza H S emessa alla superficie del Sole: H S st W/m 2 dove s, pari a 5, W/m 2 K 4, è la costante di Stefan- Boltzmann. A una distanza D dalla superficie del Sole: H H S R 2 /D 2, dove R 6, km è il raggio del Sole. La densità di radiazione vale W/m 2 al limite dell atmosfera terrestre. A parte piccole variazioni dovute all orbita ellittica della Terra intorno al Sole, tale valore è costante. Sulla superficie terrestre, invece, la radiazione risente di alterazioni dovute alle condizioni atmosferiche, alla latitudine e alle stagioni, oltre che all intermittenza giorno-notte. Nel par è evidenziata l esistenza di una fascia solare (sunbelt) in cui l insolazione annua è sempre rilevante. La densità di potenza della radiazione solare è minore di quella al limite dell atmosfera per gli assorbimenti dovuti alle molecole e al pulviscolo atmosferico e per la diffusione (di un 10% circa) da parte delle molecole dell atmosfera. La massima densità di radiazione solare diretta al suolo, in assenza di nubi, è intorno a 950 W/m 2 (cui va aggiunta la componente diffusa). In generale ci si riferisce a un valore di irraggiamento convenzionale sulla superficie terrestre per poter 548 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

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