La ricerca dell ENEA sul solare a concentrazione (CSP)

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1 La ricerca dell ENEA sul solare a concentrazione (CSP) In vista di prossimi sviluppi applicativi della tecnologia CSP la ricerca italiana gioca un ruolo di primo piano Francesco Di Mario e Alfredo Fontanella ENEA, Unità Tecnica Fonti Rinnovabili Introduzione Nel 2001 l ENEA ha intrapreso un ampio programma di ricerca e sviluppo sulla tecnologia solare a concentrazione (CSP), finalizzato allo sviluppo di una filiera tecnologica originale da utilizzare per la produzione di energia elettrica, ma anche come opportunità per le aziende italiane di esportare tecnologie competitive e attività realizzativa in vista di utilizzazioni massicce della tecnologia solare a concentrazione nelle aree desertiche del Nord Africa e del Medio Oriente. Nel 2010 è stato completato l impianto dimostrativo su scala industriale Archimede presso la centrale termoelettrica ENEL di Priolo Gargallo. Alla fine del 2011 è iniziata la progettazione dell impianto MATS da costruire in Egitto su finanziamento dell Unione Europea. Sono tre tappe fondamentali di un unico grande progetto di sviluppo che ha richiesto e richiede ancora il superamento di molte sfide scientifiche, tecnologiche e organizzative, ma comporta notevoli ricadute economiche, in particolare la nascita dell industria italiana del solare a concentrazione e la sua proiezione a livello internazionale. Cenni sulla tecnologia solare a concentrazione e linee di sviluppo La tecnologia solare a concentrazione si affianca a quella fotovoltaica e al solare termico nell utilizzazione dell energia solare. Rispetto al solare termico riguarda le applicazioni in cui sono richieste temperature maggiori (oltre 150 C) e soprattutto nella produzione di energia elettrica con cicli termodinamici. Rispetto al fotovoltaico, gli impianti solari a concentrazione presentano una maggiore complessità, che li rende poco adatti per applicazioni di tipo diffuso, ma consentono di superare il grosso limite dell energia solare, cioè la sua aleatorietà, grazie alla possibilità di accumulo. Tra le diverse tipologie di impianti solari a concentrazione quelli a collettori parabolici lineari hanno raggiunto il maggiore livello di sviluppo, anche se presentano ancora ampie possibilità di miglioramento per aumentarne l efficienza e ridurne i costi. Le attività di ricerca e sviluppo puntano soprattutto al miglioramento delle prestazioni e all ottimizzazione dei processi di fabbricazione dei componenti fondamentali: la struttura del collettore, il ricevitore, i rivestimenti selettivi delle superfici riceventi e i pannelli riflettenti. Programma di ricerca ENEA e innovazioni tecnologiche L Italia vanta una lunga tradizione di ricerca nel campo della tecnologia solare a concentrazione: già dal 1960 il prof. G. Francia conduceva studi e sperimentazioni di rilevanza internazionale e nel 1980 un consorzio di aziende italiane, tedesche e francesi costruì l impianto sperimentale Eurelios, in Sicilia, per acquisire esperienza progettuale e operativa su questa nuova tecnologia. Nel 2001 l ENEA, su impulso del prof. Rubbia, lanciò un ampio programma di ricerche finalizzato allo sviluppo di impianti solari di nuova generazione e alla loro dimostrazione su scala industriale. Nell ambito di queste ricerche l ENEA ha completamente rivisitato la tecnologia dei collettori parabolici lineari attraverso numerose innovazioni che superano i limiti della tecnologia CSP di prima generazione, legati soprattutto all utilizzazione di olio termico come fluido termovettore, che limita a 400 C la temperatura operativa, penalizzando l efficienza e ostacolando l integrazione con le centrali termoelettriche convenzionali, oltre ad essere costoso, infiammabile e inquinante in caso di perdite.

2 L ENEA ha sviluppato un nuovo sistema schematizzato in fig. 1, basato sull utilizzo di una miscela di sali fusi (60% nitrato di sodio e 40% nitrato di potassio) che può operare fino a circa 600 C, non infiammabile, né inquinante, che però solidifica al di sotto di 230 C e quindi richiede soluzioni progettuali e operative del tutto innovative. Per l ottimizzazione dei componenti chiave dell impianto, in particolare i concentratori e i tubi ricevitori, l ENEA ha applicato le più avanzate tecniche di calcolo e tecnologie dei materiali, ottenendo elevata precisione geometrica, semplificazione delle operazioni di montaggio, efficienza operativa e affidabilità. Un aspetto particolarmente innovativo riguarda il rivestimento selettivo dei tubi ricevitori, che ha richiesto un notevole impegno per l individuazione delle composizioni ottimali e per lo sviluppo del processo industriale di fabbricazione. Queste innovazioni sono state testate in condizioni reali di funzionamento mediante speciali apparati sperimentali al Centro ricerche della Casaccia (v. Fig. 2) e successivamente utilizzate per impianti dimostrativi, realizzati in collaborazione con aziende nazionali, da cui si attendono i risultati dal punto di vista dell utilizzazione industriale di questa tecnologia. L impegno ENEA nel settore prosegue, sia attraverso attività di ricerca e sperimentazione finalizzate a migliorare le prestazioni e ridurre i costi dei componenti, sia attraverso lo sviluppo di impianti di piccola-media taglia, integrati con altre fonti rinnovabili (biomasse) e adatti per produzione combinata di energia elettrica, calore industriale, climatizzazione e acqua dissalata (filiera Trebios ). Ricadute industriali L ENEA rappresenta attualmente un riferimento scientifico internazionale nel campo della tecnologia solare a concentrazione. In seguito alle sue attività di ricerca e sviluppo in Italia è nata l industria nazionale del CSP: una serie di aziende animate da forte spirito innovativo che hanno indirizzato le proprie produzioni e il proprio campo di attività verso la fabbricazione di componenti speciali per sistemi CSP e la progettazione e costruzione di impianti, con significativi investimenti in termini economici e di impegno. Tra queste aziende, le più note sono: - Archimede Solar Energy del gruppo Angelantoni Industrie, specializzata nella produzione su licenza ENEA di tubi ricevitori di tipo innovativo e che ha realizzato di recente un nuovo impianto in grado di produrre in prospettiva fino a tubi/anno (v. Fig. 3); - Ronda, Reflex e D&D che hanno sviluppato in collaborazione con l ENEA e commercializzano i componenti del collettore solare; - il consorzio FREeSuN, costituito da industrie (Fera, Dna engineering, IMAT, Sdi automazione, Turbocoating, Xeliox, Almeco), CNR e Università per sviluppare la tecnologia CSP con collettori lineari a lente di a Fresnel e impianti solari a basso costo di realizzazione; - aziende elettriche e società di ingegneria (Enel Green Power, Enel Ingegneria e Ricerca, KT Technimont, Techint ecc.), impegnate nella realizzazione ed esercizio di impianti di diverse taglie. Nel 2009 si è costituita l Associazione Nazionale Energia Solare Termodinamica (ANEST) per iniziativa dei principali operatori italiani per sostenere lo sviluppo delle tecnologie CSP in Italia, attraverso la costruzione di impianti e lo sviluppo di una filiera italiana in grado di competere a livello internazionale per la costruzione di impianti in Nord Africa e nel Medio Oriente. Il settore delle tecnologie CSP appare quindi in controtendenza rispetto al panorama generale, caratterizzato da aziende che puntano a superare la crisi riducendo i costi, con operazioni di esternalizzazione e delocalizzazione, provocando un progressivo impoverimento del sistema produttivo e l uscita dell industria nazionale da settori importanti.

3 L impianto Archimede L impianto solare Archimede, costruito dall ENEL con il supporto ENEA, ha lo scopo di dimostrare la validità nell utilizzazione industriale delle innovazioni sviluppate dall ENEA nella tecnologia solare termodinamica. L impianto è integrato con la centrale termoelettrica di Priolo Gargallo, presso Siracusa, con cui ha in comune la turbina a vapore e il ciclo termico, ha potenza elettrica di 5 MW e capacità di accumulo termico pari a 6,5 ore. L impianto Archimede è stato completato nel luglio 2010, è attualmente gestito dall ENEL che cura direttamente la diffusione dei risultati ottenuti. A partire da tali risultati, Enel Green Power ha avviato agli inizi del 2012 un nuovo progetto per la realizzazione, sempre in Sicilia, di un impianto da 30 MW; l iniziativa, condotta con il parziale supporto della UE, coinvolge anche ENEA ed altri partner europei. Il progetto MATS Nel luglio 2011 l ENEA ha dato inizio al progetto MATS (Multipurpose Applications by Thermodynamic Solar), condotto nell ambito dei programmi europei e finalizzato alla costruzione in Egitto di un impianto solare a concentrazione basato su diverse innovazioni sviluppate dall ENEA con il concetto Trebios: modularità del campo solare, accumulo termico con serbatoio unico, integrazione del generatore di vapore con il serbatoio di accumulo, produzione congiunta di energia termica, climatizzazione e acqua dissalata (v. Fig. 5). L impianto verrà costruito presso il campus dell Università di Borg-el-Arab, vicino Alessandria, e produrrà energia elettrica per la potenza nominale di 1 MW e potenza termica per 4 MW, che verrà utilizzata per la climatizzazione degli edifici universitari e per la produzione di 250 m 3 al giorno di acqua dissalata. Il progetto è coordinato dall ENEA con la partecipazione di altre organizzazioni di ricerca: CEA (Francia), ISE and Fraunhofer (Germania), ASRT e NREA (Egitto), Università di Cranfield (Gran Bretagna) e aziende industriali: Tecnimont KT, Ronda Group e Archimede Solar Energy (Italia), Orascom Construction Industries e Delft Environment (Egitto). Attualmente sono in corso attività di progettazione e prove sperimentali sui componenti innovativi, tra cui le prove del nuovo collettore solare al Centro ENEA della Casaccia. Fig. 1 Schema innovativo di impianto solare termodinamico (ENEA)

4 Fig. 2 - Test Facility (ENEA) Fig. 3 Nuovo tubo ricevitore (ENEA) e stabilimento di produzione (Archimede Solar Energy)

5 Fig. 4 - Impianto solare Archimede (ENEL) Fig. 5 Schema di principio dell impianto MATS