Centrali elettriche a energia solare

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1 ENERGIE RINNOVABILI Centrali elettriche a energia solare Gli apporti solari nella fascia solare possono coprire la domanda elettrica mondiale per un tempo molto lungo. La tecnologia attualmente più economica per produrre corrente elettrica dal sole è quella dei collettori parabolici. Centrali solari di questo tipo possono essere facilmente combinate con accumulatori termici. (Marzo 2004) Nelle regioni con i maggiori apporti solari, le centrali solari termiche sono una soluzione che consente la produzione d energia elettrica in maniera ecologica e senza alterare il clima. Teoricamente solo l uno percento del Sahara basterebbe a coprire l intera domanda elettrica mondiale. La produzione d elettricità con la tecnologia del solare termico fonda su un semplice Specchi parabolici nel deserto principio: La radiazione solare viene concentrata per Mohave mezzo di specchi parabolici e trasformata in energia termica. Le alte temperature ottenute consentono l uso delle convenzionali turbine a vapore o a gas o di un motore Stirling. Allo stato attuale, la tecnologia più economica per trasformare la radiazione solare in energia elettrica è quella dei collettori parabolici, così come quelli costruiti, a partire dagli anni ottanta, negli Stati Uniti. Le nove centrali nel deserto Mohave (California), che hanno una potenza complessiva di 354 MW, producono annualmente circa 800 MWh d energia elettrica. Alcune centrali di questo tipo, attualmente in progettazione, dovrebbero sorgere in Spagna. Si è calcolato che, con questa tecnologia e nelle condizioni climatiche della Spagna, sarà possibile produrre corrente elettrica al costo di circa 0,16 Euro/kWh. Centrali solari termiche a torre possono anche essere integrate in centrali termoelettriche esistenti dove contribuirebbero a ridurre i costi di produzione. Questo sistema consente l introduzione graduale della tecnologia nella produzione elettrica e gradualmente sostituire i combustibili fossili. Collettori parabolici La tecnologia dei collettori parabolici è oggi la più economica per convertire l energia solare in energia elettrica, perché può essere facilmente integrata nelle convenzionali centrali termoelettriche. Nelle centrali termoelettriche la corrente elettrica è prodotta da alternatori azionati da turbine a vapore o a gas. Il vapore si ottiene normalmente bruciando gas naturale, petrolio o carbone, ma le alte temperature che occorrono per produrre vapore ad alta pressione possono essere raggiunte anche tramite specchi parabolici che concentrano la radiazione solare. Nel fuoco degli specchi l intensità della radiazione è maggiore quasi 80 volte quella normale. Nel fuoco si trova un tubo (assorbitore o receiver) in cui circola un fluido (olio sintetico o una fusione salina) che si riscalda fino a quasi 400 C. Uno 1

2 scambiatore trasferisce poi il calore all acqua che si trasforma in vapore ad alta temperatura, il quale mette in azione la turbina. Gli specchi parabolici devono avere una geometria precisa ed essere robusti per poter resistere anche a forti venti. Ogni singolo specchio possiede una guida automatica che lo orienta sempre verso il sole. I riflettori, costruiti normalmente con uno speciale vetro, riflettono bene lo spettro solare e sono resistenti ai graffi. I tubi assorbenti hanno una superficie selettiva e sono alloggiati in un tubo di vetro sotto vuoto che li protegge e rende minime le perdite di calore per trasmissione. Le uniche centrali solari a specchi parabolici (Solar Electric Generatine Systems = SEGS) che producono corrente elettrica a scopi commerciali, sono quelle nove in California, realizzate tra il 1985 e il Nei 15 anni d esercizio, questi impianti si sono rivelati molto resistenti ed efficienti; la disponibilità dei loro sistemi tecnologici, negli ultimi anni, è stata sempre superiore al 98%. Schema di una centrale a specchi parabolici (Fonte: DLR, elaborazione grafica: MiniWatt.it) Lo sviluppo di una tecnologia completamente europea è cominciato solo negli anni Novanta. Il collettore Euro Trough è stato sviluppato dalle industrie Abengoa, Flabeg Solar e Schlaich, Bergermann & Partner in collaborazione con il Centro aeronautico e spaziale tedesco (DRL) ed è stato collaudato nel Centro di ricerca Plataforma Solar de Almeria. Nell ambito del progetto SKAL-ET è stata costruita in California una linea lunga 800 metri di questi collettori che attualmente sono sottoposti prove per ottenere dati sulla loro efficienza e sulle possibilità di un ulteriore miglioramento. Oggi, la ricerca in questo campo si concentra sullo sviluppo di un receiver parabolico, lo sviluppo di un accumulatore termico costruito con uno speciale cemento che resista alle alte temperature, la progettazione dell impianto dimostrativo AndaSol e studi che riguardano i cosiddetti collettori Fresnel. Centrali solari a torre In queste centrali la radiazione solare è concentrata da specchi, i cosiddetti eliostati, su una caldaia (receiver) posta su una torre. L energia che colpisce la caldaia supera alcune centinaia di volte la normale radiazione solare e riscalda il fluido nella caldaia fino a 1100 C. Dall inizio degli anni Ottanta ad oggi sono 10 le centrali di questo tipo costruite a scopi sperimentali. Gli impianti si distinguono per il mezzo che trasporta il calore: oltre al vapore prodotto direttamente e fusioni saline viene sperimentato anche il trasporto con l aria. 2

3 Il trasporto del calore tramite il vapore si è rivelato insoddisfacente perché comporta difficoltà tecniche e nell accumulo si verificano notevoli perdite termodinamiche. Anche il sale, che possiede buone caratteristiche conduttive, ha degli svantaggi: tutte le tubature devono essere riscaldabili elettricamente per evitare che il sale congeli. L aria, nonostante la sua cattiva capacità termica, ha il vantaggio di non creare problemi tecnici, è innocua ed illimitatamente disponibile. L insufficiente trasmittanza termica dell aria può essere compensata con l uso di un cosiddetto receiver volumetrico che ha un elevata superficie interna. L aria riscaldata fino ad una temperatura di 1100 C può essere direttamente utilizzata per far girare delle turbine a gas. Schema di una centrale a torre Integrazione in una centrale elettrotermica (Fonte: DLR, elaborazione grafica: MiniWatt.it) Sistema Dish-Stirling In siti isolati, lontani da linee elettriche, il sistema Dish-Stirling offre un alternativa alla produzione convenzionale di energia elettrica tramite un motore diesel. La potenza degli impianti Dish-Stirling è tipicamente compresa tra 5 e 50 kw; potenze più elevate si possono ottenere con la combinazione di una serie di questi impianti. Lo specchio riflettente è in questo caso una calotta Foto: Quaschning parabolica orientata verso il sole da una guida Collettore EuroDish automatica. Nel fuoco dello specchio si trova il receiver e l unità Stirling. Il reciver assorbe l irradiazione e la conferisce come calore ad alta temperatura al motore Stirling che è combinato con un alternatore.gli impianti Dish-Stirling vengono sviluppati sin dagli anni Ottanta negli Stati Uniti e in Germania. Negli Stati Uniti sono tre i consorzi che si occupano dell introduzione della tecnologia nel marcato. In Germania è la Schlaich, Bergermann & Partner che sviluppa, assieme ad altre sei società tedesche e spagnole, e con contributi finanziari dell Unione Europea, un sistema chiamato Euro-Dish. L obiettivo è la riduzione dei costi degli impianti. Una possibilità in questo senso la offre, per esempio, l alleggerimento della costruzione del riflettore parabolico (concentratore). Il nuovo concentratore, con un diametro di 8,5 metri, è adesso una membrana sandwich di vetroresina. 3

4 Allo scopo di aumentarne il rendimento, la superficie di Euro-Dish è del 25 % maggiore di quella necessaria per raggiungere la potenza nominale del motore Stirling. In caso di apporti solari massimi si perde del calore, ma in caso di apporti medi, il motore Stirling funziona con un alto rendimento. In siti dove si hanno apporti massimi solo per poche ore, la produzione media annuale d energia aumenta di circa il 30 %. Sin dal dicembre del 2000, ad Almerìa si stanno sperimentando due prototipi. Le esperienze dovrebbero dare delle indicazioni per ridurre ulteriormente i costi e per iniziare la produzione in miniserie. In Italia e in India sono in costruzione degli impianti sperimentali per studiare il montaggio, l esercizio e la manutenzione nelle reali condizioni di questi paesi. Foto: Quaschning Collettori parabolici sulla Plataforma de Solar Almerìa Progetti in Spagna Nell agosto del 2002, il Governo spagnolo ha deciso di aumentare i contributi alla corrente elettrica prodotta in centrali solari termiche. Le centrali con una potenza massima di 50 MW si aggiudicano un bonus di 0,12 Euro/kWh el se il funzionamento della centrale è interamente solare. Sono in preparazione quattro progetti: due a torre e due a specchi parabolici. L impianto a torre PS10 è in costruzione a circa 15 km a ovest di Siviglia. Quasi 1000 eliostati con una superficie di 90 m 2, ciascuno dei quali dovrebbe riscaldare un receiver a vapore saturo. La potenza installata dovrebbe essere di 11 MW. Un accumulatore di 305 m 3 dovrebbe livellare le differenze degli apporti e per coprire i picchi del fabbisogno termico. L impianto dovrebbe essere ultimato entro la metà di quest anno. I più grandi progetti previsti per la Spagna sono le centrali a specchi parabolici AndaSol 1 e AndaSol 2 a sudovest di Granada. Ciascuno di questi due impianti a 50 Mw el sarà attrezzato con collettori Euro Trough con una superficie complessiva di m 2. La capacità di un accumulatore a sali liquidi dovrà garantire per 6 ore la continuità del funzionamento e l esercizio economico dell impianto. L inizio dei lavori di costruzione è previsto per l autunno del A partire dal 2007 i due impianti dovrebbero immettere annualmente nella rete elettrica della Spagna circa 160 GWh. Sulla base delle esperienze acquisite con l impianto a torre Solar Two, costruito tra il 1996 e il 1999 in California, si sta progettando, nei pressi di Cordoba, Solar Tres che dovrebbe partire con una potenza di 15 Mw el. Un altro progetto è EuroSEGS, una centrale di Mw el nei pressi di Pamplona, provincia di Navarra. La realizzazione dei due progetti non è però ancora sicura. Il motore Stirling Il motore Stirling è stato inventato, nel 1816, dal pastore presbiteriano scozzese Robert Stirling ( ). Si tratta di una macchina termica a ciclo periodico che trasforma energia termica in energia meccanica. Il motore è alimentato con aria calda. Vi sono vari tipi di questo motore. Schematicamente il motore è costituito da un riscaldatore (nella parte superiore), un refrigeratore (nella parte inferiore) e un cilindro in cui scorrono due stantuffi tra i quali è interposto (fissato a metà cilindro) un rigeneratore, costituito da una matrice di sottili fili o nastri metallici (per esempio lana di rame), che assorbe calore dall aria calda compressa dallo stantuffo 4

5 passivo e lo cede a quella fredda che, riscaldata contemporaneamente dal riscaldatore, espandendosi renderà attivo l altro stantuffo. L aria viene riscaldata dal riscaldatore e raffreddata dal(refrigeratore. In un ciclo Stirling ideale si susseguono 4 fasi: L aria espande a temperatura costante. Dopo l espansione essa è poi raffreddata a volume costante nel refrigeratore poi compressa a temperatura costante e quindi nuovamente riscaldata a costante temperatura nel rigeneratore fino alla temperatura iniziale. Dopo di che il ciclo inizia di nuovo. Un ciclo Stirling non è purtroppo realizzabile vista l impossibilità di costruire una macchina a moto continuo in cui avvengono variazioni di stato a volume costante. Così, già durante la fase di espansione avviene contemporaneamente un trasferimento del gas dalla parte calda a quella fredda e, nel corso della compressione, l aria non si trova ancora totalmente nella parte fredda del motore. Il motore Stirling gode però di interesse a motivo dei suoi bassi costi di esercizio e di manutenzione, ed in più perché non inquina. Il collettore Fresnel In confronto ai collettori parabolici, i collettori Fresnel funzionano con specchi piani sfaccettati guidati automaticamente in direzione del sole. Gli specchi sono disposti parallelamente e riflettono la luce verso un tubo assorbitore posto qualche metro più in alto nel fuoco. Un riflettore secondario sopra il tubo focalizza altra radiazione sul tubo. Un collettore con una larghezza di 24 metri e una lunghezza di 1000 metri, nel tubo assorbitore, potrebbe generare vapore con temperature superiori a 500 C sufficienti per ottenere una potenza elettrica di circa 5 MW. Principio del collettore lineare Fresnel di Solarmundo (Fonte: Solarmundo, elaborazione grafica: MiniWatt.it) potenza elettrica di circa 5 MW. In confronto ai collettori parabolici, i collettori Fresnel funzionano con specchi piani sfaccettati guidati automaticamente in direzione del sole. Gli specchi sono disposti parallelamente e riflettono la luce verso un tubo assorbitore posto qualche metro più in alto nel fuoco. Un riflettore secondario, sopra il tubo, focalizza altra radiazione sul tubo. Un collettore con una larghezza di 24 metri e una lunghezza di 1000 metri, nel tubo assorbitore, potrebbe generare vapore con temperature superiori a 500 C sufficienti per ottenere una Ciascuna delle 48 lamelle riflettenti è costituita da 500 specchi con una larghezza di 0,5 metri e una lunghezza di 2,0 metri. I collettori possono essere combinati in campi per ottenere potenze di alcune centinaia di MW. Il concetto comporta dei vantaggi economici: la struttura dei collettori è semplice e consente la produzione di massa. La disposizione degli specchi richiede inoltre meno spazio e offre anche l utilizzo dell area sottostante e parzialmente ombreggiata, per esempio per coltivazioni agricole. Sullo sviluppo dei collettori Fresnel puntano principalmente la società Solarmundo e un produttore australiano. 5

6 Altri progetti La Global Environment Facility (GEF) sta sviluppando progetti simili a Mathania (India), Ain Beni Mathar (Marocco), Kuraymat (Egitto) e Hermosilio (Messico). Una panoramica sui progetti è offerta dalla pagina Internet Oltre alla tecnologia sono in fase di sviluppo degli strumenti legislativi che dovrebbero facilitare la sua introduzione nei vari paesi caratterizzati da elevati apporti energetici solari. 6