Tecnologia innovativa per la produzione massiva di energia solare a basso costo.

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1 1 Seminario sulla promozione degli investimenti tra Italia e Cina. Roma, 6-7 maggio 2004 Tecnologia innovativa per la produzione massiva di energia solare a basso costo. Carlo Rubbia Presidente ENEA Secondo le previsioni dell IEA (International Energy Agency), tra il 2000 ed il 2030 è prevedibile un raddoppio dei consumi mondiali di elettricità, principalmente a causa dell aumento della domanda nei Paesi in via di sviluppo. Gli investimenti stimati per i prossimi trenta anni a livello mondiale dall IEA, nel recente World Energy Investment Outlook, 2003, sono ben miliardi di US$.: questo rappresenta circa il 60% dell investimento totale nel settore energetico ed è circa tre volte più elevato dell investimento nel settore elettrico nel corso degli ultimi trent anni. I fattori chiave che determineranno la capacità di realizzare investimenti nel settore della generazione elettrica saranno la competitività, i vincoli ambientali e l accesso ai capitali. Il sistema elettrico della Cina è oggi il secondo nel mondo come ampiezza, dopo gli Stati Uniti, con una capacità installata di 322 GW. La maggior parte di questa capacità è basata sull uso del carbone. La Cina è stata molto efficiente nello sviluppo della propria infrastruttura elettrica: solo nell ultimo decennio, questo paese ha incrementato la propria capacità di 13 GW ed ha aggiunto km di nuove linee di trasmissione ogni anno! Nel solo anno 2000 gli investimenti effettuati in questo settore sono stati 20 miliardi di US$. Per quanto riguarda lo sviluppo nei prossimi trenta anni, le previsioni IEA indicano che saranno necessari ulteriori 800 GW di nuova capacità di generazione elettrica per soddisfare la domanda: la maggior parte di questa nuova capacità sarà basata sul carbone. Per soddisfare la domanda rapidamente crescente di questo Paese, si prevede che saranno necessari investimenti per circa 2000 miliardi di dollari di cui 795 miliardi di dollari per nuovi impianti di generazione. Queste previsioni di sviluppo debbono fare i conti, oltre che con rilevanti vincoli di carattere finanziario, anche con minacce importanti alla sostenibilità ambientale. La Cina, che produce annualmente il 13,5% delle emissioni globali di

2 CO 2, è il secondo paese al mondo per quantità di emissioni, dopo gli USA. A parità di energia elettrica prodotta, le emissioni di CO 2 da carbone sono 2.5 volte maggiori di quelle da gas naturale. La produzione di carbone passerà dalle 1.2 miliardi di tonn/anno di oggi a 2.3 miliardi di tonn nel e le emissioni di CO 2 raggiungeranno nel 2030 i 6.7 miliardi di tonn/anno, 18% delle emissioni planetarie. Tale scenario comporta dunque preoccupanti conseguenze, vale a dire: 2 1. Cambiamenti climatici di ampie proporzioni appaiono come inevitabili, con conseguenze particolarmente gravi nei Paesi in via di sviluppo, meno preparati ad affrontarne gli effetti. 2. Uno sviluppo sostenibile potrebbe essere ostacolato da problemi correlati alla sicurezza degli approvvigionamenti di petrolio e gas naturale. Al fine di migliorare questa previsione, è necessario un vigoroso impulso con lo sviluppo di tecnologie innovative. L energia solare è potenzialmente la candidata ideale per rompere un tale circolo vizioso tra il progresso economico e il conseguente effetto serra. Peraltro, in molti Paesi, tra cui vaste regioni della Cina, l intensità della radiazione solare è considerevole e potrebbe quindi divenire per essi una fonte primaria di energia, purché utilizzabile con nuove tecnologie semplici e a basso costo. E' quindi responsabilità dei Paesi avanzati, come l'italia, il compito di sviluppare nuove tecnologie ed il "know-how" corrispondente, al fine di permettere un tale progresso. Purtroppo l uso delle energie rinnovabili con le tecnologie attuali (fotovoltaico, eolico, biomassa, ecc.), ad eccezione dell energia idroelettrica, coprono mondialmente solo circa il 2% della domanda di energia primaria. Le previsioni IEA indicano che esse potranno raggiungere al massimo il 3% al Le ragioni di una penetrazione così modesta sono ben note: 1. Il costo eccessivo: l energia prodotta deve essere competitiva con quella dei combustibili fossili: la migliore energia è quella più economica. 2. La natura discontinua dell energia prodotta, associata all energia solare ed eolica: l energia deve essere disponibile quando è richiesta dall utente. Tali limitazioni vanno quindi rimosse, grazie a nuove tecnologie innovative. Un nuovo e importante programma di ricerca e sviluppo made in Italy, è stato lanciato tre anni fa all ENEA. Questo programma punta allo sviluppo di una tecnologia innovativa, basata sull utilizzo di semplici specchi a basso costo per la concentrazione della radiazione diretta, al fine di convertire in modo efficiente l energia solare in calore ad alta temperatura. Al fine di eliminare le discontinuità nell energia prodotta, l'energia solare è immagazzinata sotto forma di calore con l'ausilio di sali fusi a 550 C. L accumulo termico ha una capacità sufficiente al fine di erogare potenza in modo completamente disaccoppiato e indipendente dalla produzione dell'irraggiamento solare, di notte o in condizioni di cielo coperto.

3 La nuova tecnologia ENEA ha lo scopo di produrre calore di processo ad alta temperatura per una grande varietà di applicazioni industriali, in particolare per la produzione di energia elettrica, ad un costo competitivo con quello relativo ai fossili, rispetto ai quali costituisce una valida alternativa, ma senza emissioni di inquinanti né di gas serra. Questi sviluppi rappresentano una considerevole evoluzione rispetto al programma sviluppato negli anni ottanta di sviluppo della tecnologia solare a concentrazione ad alta temperatura, realizzato nel deserto del Mojave, nel sud della California. Tali impianti, costruiti tra il 1984 e il 1991, hanno prodotto con successo ed immesso ad oggi nella rete più di 9 TWh di energia elettrica. Tuttavia gli impianti dell epoca erano dei sistemi ibridi, e richiedevano l ausilio massiccio di gas naturale per poter sopperire alla variabilità del flusso solare, in quanto non disponevano di sistemi di immagazzinamento dell energia. Il fluido termovettore era costituito da olio minerale infiammabile e tossico, tollerabile in una zona desertica come quella, ma difficilmente adattabile alle condizioni del nostro Paese. Infine la relativamente bassa temperatura di esercizio lo rendeva incompatibile con le più moderne ed efficienti turbine a vapore. A partire da questa tecnologia, l ENEA sta sviluppando una nuova originale filiera, basata su una tecnologia fortemente innovativa, che certamente costituirà un importante riferimento internazionale. Grazie a molte, profonde e consistenti innovazioni, esso dimostra la capacità di produrre grandi quantità di calore ad alta temperatura per uso elettrico continuativo ad un costo compatibile con quello dei fossili, e, più precisamente: 3 1. il totale disaccoppiamento tra la sorgente solare e la produzione di energia, grazie all accumulo termico del calore prodotto, che permette operazione continuativa stand alone ; 2. una riduzione sostanziale dei costi con l uso di specchi di nuova progettazione; 3. l utilizzo di una miscela di sali fusi non infiammabili e a basso impatto ambientale come fluido termico all interno dei collettori; è anche lo studio la possibilità di usare un gas caldo (aria, CO 2 ) in un circuito chiuso, al posto dei sali fusi; 4. un incremento di circa +200 C della temperatura di funzionamento, con l uso di un nuovo tubo ricevitore del calore a 550 C, in accordo con le moderne turbine a vapore. Al fine di caratterizzare le finalità della nuova tecnologia innovativa ENEA basata sul solare termo-dinamico, va ricordato che le vaste aree del Sun belt hanno sia una favorevole esposizione alla radiazione solare che un escursione stagionale piuttosto ridotta. In relazione a zone non molto lontane dall Italia, particolarmente interessante è il caso del Sahara. Nel caso della Cina, di cui si parla oggi

4 dobbiamo menzionare il Tibet, una vasta regione a circa 4000 m, scarsamente popolata, con 3000 ore/anno di radiazione diretta normale (DNI) pari a circa 2200 kwh/m 2 /anno (7.75 GJ/m 2 ), da confrontare con i kwh/m 2 /anno delle località più favorevoli nel sud Italia e con i 2900 kwh/m 2 /anno massimi nel Sahara. Con un efficienza di raccolta di circa il 65%, un chilometro quadro di collettori nel Tibet è in grado di trasferire ogni anno all accumulo termico un energia equivalente a 1.0 milione di barili di petrolio (BOL) ovvero nei circa 30 anni di vita dell impianto 30 milioni di BOL. Al prezzo attuale di circa 25 $/BOL, essi equivalgono a circa 750 milioni di $, vale a dire un risparmio totale in termini di costi per il combustibile pari a 750 $ per ogni metro quadrato di collettori. Il costo stimato dell intero sistema solare di captazione e di accumulo ENEA, per un congruo volume di produzione e inclusa la produzione di vapore ad alta temperatura, è dell ordine di 100 $/m 2. La trasformazione di tale calore in elettricità è poi prodotta con turbine convenzionali, a costi corrispondenti a quella dei fossili ai quali è il sostituto. Con un efficienza di conversione da energia solare diretta a energia elettrica pari al 29 %, ogni chilometro quadrato di collettori produce annualmente circa 800 GWatth di energia elettrica (Tibet). Questa quantità è equivalente alla produzione annuale di una centrale convenzionale a carbone o a gas di circa 100 MWatt (elettrici). Quindi per produrre l energia elettrica continuativa erogata da una centrale di 1 GWatt (elettrici) è necessaria un area di circa 10 km 2 di specchi, ovvero un quadrato di circa 3.3 km di lato. L area globalmente occupata dall impianto è in realtà doppia rispetto a quella citata, a causa della spaziatura degli specchi e delle altre installazioni. Ogni tecnologia matura per la produzione di energia deve erogare l energia in funzione della domanda. Fino ad oggi, a ragione l unica energia rinnovabile che ha avuto una diffusione estesa è quella idroelettrica. Ciò è dovuto sia alla competitività dei costi di produzione elettrica con turbine di alta potenza che alla presenza del sistema bacino/sbarramento, che è in grado di compensare le variazioni dovute alle variabilità delle precipitazioni. Nel caso dell energia solare, la funzione svolta dall accumulo dell acqua nella diga è sostituita dal calore accumulato in un serbatoio termico a basso costo. Un elevato salto termico permette una capacità di accumulo termico elevata. In termini semplici, per immagazzinare 1 kwatth sono sufficienti circa 4.9 litri di sale fuso. L energia accumulata in un volume di sale fuso è eguale a quella prodotta dalla combustione dello stesso volume di gas naturale alla pressione di 18.4 bar, ovvero a quella contenuta in una quantità di olio combustibile pari ad 1/43 del volume. Ma, mentre in un impianto convenzionale ad energia fossile il riempimento del serbatoio di olio combustibile è normalmente effettuato con frequenza mensile, il tempo di accumulo per l impianto solare è determinato dal ciclo giornaliero, eventualmente incrementato al fine di compensare anche alcuni giorni di cattivo tempo. Ne consegue che, per una data potenza installata, le dimensioni per un serbatoio di combustibile fossile e quelle per l'accumulo termico di un impianto solare 4

5 continuativo sono in realtà paragonabili. Ad esempio, al fine di garantire la continuità (24 ore su 24) dell energia solare giornaliera raccolta da 1 km 2 di collettori nel sun belt (100 MWatt) il serbatoio è di circa 30 m di diametro e di 21 m di altezza. Le perdite di energia associate all'accumulo termico sono molto contenute, tipicamente minori dell 1% giornaliero. L accumulo termico è quindi un sistema estremamente efficiente, qualora confrontato con gli altri metodi correnti di accumulo energetico. Si riassumono quindi le principali caratteristiche degli impianti solari a concentrazione ENEA: 1. Un energia abbondante e rinnovabile. Un gran numero di regioni desertiche o comunque inutilizzate hanno una ricca insolazione e un enorme potenziale energetico. Non sono necessari combustibili di alcuna sorta, fossili o nucleari, che debbano essere trasportati, spesso su lunghe distanze, dalla miniera (carbone) o dai pozzi (gas naturale). Non si producono rifiuti radioattivi o emissioni di alcuna sorta. 2. Il calore solare a costi competitivi rispetto ai combustibili fossili e al nucleare. Per sistemi di captazione ed accumulo dell energia solare su una scala industriale, la produzione e l erogazione di calore ad alta temperatura (550 C) potrà essere fatta, in località ad elevata insolazione, ad un costo di circa 2 3 $/GJ, analogo al costo previsto per il gas naturale e il petrolio. L investimento iniziale è inferiore a quello di una centrale nucleare per una stessa potenza. 3. Un energia disponibile secondo la domanda. L uso dell accumulo termico permette l erogazione di energia su richiesta, indipendentemente dall ora (giorno o notte). Le discontinuità della radiazione solare a breve termine (nuvole) e del ciclo notte/giorno sono completamente compensate, come pure le giornate senza sole, purché non eccessivamente persistenti. In particolare la produzione di elettricità può prontamente seguire la variazione della domanda giornaliera. 4. Un uso efficiente dell energia solare. L efficienza di captazione e di stoccaggio dell energia solare è superiore al 65% della radiazione diretta normale incidente. Sistemi a concentrazione accoppiati a generatori elettrici a turbina, grazie a questa elevata efficienza, richiedono aree 2 o 3 volte inferiori rispetto ai sistemi fotovoltaici, a parità di energia elettrica prodotta. In molte regioni del mondo ogni singolo metro quadro di collettori può produrre annualmente la stessa quantità di energia contenuta in un barile di petrolio, evitando circa 400 kg/anno di emissioni di CO 2, se usata in sostituzione del gas naturale, e circa1 ton/anno di CO 2, se usata al posto del carbone. 5. Potenzialità su una larga scala di applicazioni. La tecnologia è fortemente modulare e può soddisfare esigenze diverse. L energia solare può essere utilizzata sia per impianti di grandi dimensioni (fino a molti GWatt elettrici), connessi con la rete elettrica internazionale, sia per impianti più piccoli (tipicamente di pochi 5

6 MWatt elettrici) per comunità isolate. In quanto la generazione di elettricità è realizzata grazie a turbo-alternatori convenzionali, la sua integrazione nella rete non richiede misure particolari di stabilizzazione o di backup. 6. Una tecnologia rispettosa dell'ambiente. Gli impianti solari producono energia senza emissioni né inquinamento. Non sono impiegati materiali tossici, infiammabili o altrimenti pericolosi: l intero sistema non è sorgente di rischio o di altri fastidi (rumore) per le popolazioni presenti nelle sue vicinanze. In particolare il liquido termovettore utilizzato è un comune fertilizzante, già ampiamente usato in agricoltura, ed eventuali fuoriuscite accidentali non hanno alcun impatto ambientale. Non sono richieste strutture elevate e i collettori solari, posizionati in modo ordinato e seguendo il profilo del terreno, non deturpano il paesaggio. 7. Un investimento energetico per la realizzazione molto modesto. Il tempo di ritorno energetico per la realizzazione del sistema è dell ordine di solo sei mesi, meno del 2% dell energia prodotta durante il periodo di funzionamento. Ciò rappresenta una frazione molto inferiore rispetto ad esempio alla tecnologia fotovoltaica. Alla fine del periodo di utilizzazione, molti dei materiali possono essere riciclati o ripristinati per ulteriori istallazioni. 8. Tempi di costruzione brevi e lunga durata dell impianto. Grazie alla semplicità progettuale, un impianto completo può essere realizzato in circa tre anni. Peraltro la vita attesa dell impianto è approssimativamente di anni. Lo smantellamento finale dell area dell impianto è semplice ed economico e il terreno è riutilizzabile senza limitazioni. 9. R&S avanzata e rapida commercializzazione successiva. l ENEA ha dimostrato recentemente il circuito in dimensioni reali, costruito con l industria, che ha permesso di dimostrare tutti gli elementi da produrre in scala industriale. Nel 2006, è prevista l entrata in funzione di un primo impianto dimostrativo commerciale denominato Archimede per una potenza continuativa di circa 20 Mwatt in collaborazione con l ENEL presso Priolo Gargallo vicino a Siracusa (Sicilia). Altri impianti dimostrativi sono in fase di valutazione ed è ragionevole attendersi che in meno di quattro anni da oggi, impianti commerciali di ancora più grandi dimensioni potranno essere in via di realizzazione. 10. Il trasporto elettrico su lunghe distanze: fattibile ed economico. I vastissimi potenziali di una tale tecnologia potranno essere ulteriormente incrementati superando la domanda locale e regionale ed esportando l energia elettrica a regioni più densamente popolate. A oggi, ben circa 60 GWatt di potenza elettrica sono trasportati a grandi distanze grazie a circa 80 progetti basati su linee di trasmissione elettriche in corrente continua ad alta tensione (HVDC). Tra questi, ricordiamo quello che porta l energia elettrica alla città di New York dal Canada, su una distanza maggiore di tremila chilometri. A titolo di esempio, il costo del trasporto dell energia solare (HVDC) ad una distanza di 2000 km su terra è dell ordine di /kwatth, un costo addizionale sicuramente accettabile. 6