Emilia Li Gotti Sandro Tomassetti SOLARE TERMODINAMICO
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- Marta Palumbo
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1 Emilia Li Gotti Sandro Tomassetti SOLARE TERMODINAMICO
2 Cenni storici Nel 212 a.c. durante la seconda guerra punica la città di Siracusa venne attaccata dall esercito Romano guidato dal console Marcello. La leggenda racconta che Archimede difese la città con lo stratagemma degli specchi ustori.
3 Solare termodinamico per la produzione di energia elettrica da calore ad alta temperatura SOLARE TERMODINAMICO Frontiera nel panorama IAFR- Impianti Alimentati da Fonti Rinnovabili Sfrutta la componente diretta della radiazione solare (DNI), la concentra e la riflette su ricevitori (puntuali o longitudinali) all interno dei quali scorre un fluido termovettore che veicola il calore assorbito circolando nel campo solare raggiungendo elevate temperature di esercizio. La potenza termica, in uscita dal campo, inviata ad un generatore assicura la produzione di vapore surriscaldato per la conversione in una unità convenzionale di potenza in energia elettrica da iniettare in rete.
4 Tecnologie 1) Collettore Parabolico Lineare 2) Fresnel 3) Sistema a Torre 4) Disco Parabolico Stirling
5 Nel Mondo 1781 MW in esercizio 2570 MW in costruzione 9211 MW annunciati
6 Collettore Tecnologia Parabolico Innovativa Lineare Principio di Funzionamento Collettore parabolico lineare ad inseguimento monoassiale (Parabolic Through) -Specchi cilindro parabolici (SCA- Solar Collector Assembly) lunghi 100 m - 3 SCA in serie su due file parallele stringa di collettori (600 m) - Parallelo di stringhe campo solare
7 Collettore Parabolico Lineare Principio di Funzionamento
8 Collettore Parabolico Lineare Principio di Funzionamento 1,000 Hourly Time Series Direct Normal Radiation (W/m²) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
9 INNOVAZIONE- Accumulo Termico e Sali Efficiente : perdite termiche giornaliere < 1% Affidabile Economico isola di potenza Accumulo Termico Il sistema di accumulo termico assicura la continuità dell esercizio impiantistico nelle ore in cui la radiazione solare è insufficiente al corretto funzionamento dell impianto o nelle ore notturne quando è totalmente assente. Fluido termovettore e fluido di stoccaggio -Miscela di nitrati fusi (Nitrato di sodio 60% - Nitrato di potassio 40 %) -Elevata conducibilità termica -Elevate temperature di esercizio 600 C
10 Tecnologia Fluido termovettore Innovativa Fluido Termovettore Organici Olii minerali, al silicone e sali organici permettono risultati soddisfacenti quando la temperatura massima d esercizio non sia superiore ai 400 C. Temperature superiori causano degradazione fisica e dunque limitano l efficienza complessiva del ciclo vapore. La richiesta per la messa in sicurezza di impianti che utilizzino fluidi organici, tra l altro, tenuto conto della loro elevata infiammabilità, non permette lo stoccaggio di energia, obbligando in tal modo a due possibili scelte: -realizzare una centrale di tipo ibrido, cioè combinata ad esempio con centrali termoelettriche oppure a biomassa, che assicurino la continuità dell esercizio impiantistico anche in assenza di radiazione; -utilizzare per l accumulo termico, un fluido diverso da quello organico, optando per una miscela di nitrati; in tal caso, però, in uscita dal campo solare sarà necessario predisporre uno scambiatore di calore che realizzi lo scambio termico tra olio e sali, adatti, invece, allo stoccaggio energetico. Le temperature raggiunte dalla miscela di Sali > 550 C comportano: - riduzione del volume dei serbatoi di accumulo (2/3) - riduzione del costo di investimento pari al 20% (vs Olio diatermico) - aumento efficienza pari al 6 %
11 Tecnologia Fluido termovettore Innovativa Fluido Termovettore Olio Vs Sali Fusi
12 Fresnel (1-10 MWe) Principio di Funzionamento Superficie Riflettente Specchi piani Fluido Termovettore Sali Fusi/Olio Diatermico /Acqua Demineralizzata Temperature di esercizio < 400 C La superficie riflettente secondaria, al di sopra del ricevitore longitudinale si rende necessaria al fine di evitare dispersione della luce riflessa dagli specchi primari. Il fluido termovettore può essere di diversa natura a seconda delle applicazioni e condizioni operative.
13 Torre Principio di Funzionamento 1) Campo di eliostati 2) HTF pompato a 290 C 3) HTC riscaldato sino a 565 C 4) Serbatoio di accumulo 5) Generatore di vapore 6) Turbina a vapore 7) Turboalternatore 8) Rete Elettrica
14 Torre Principio di Funzionamento GEMASOLAR P 20 MWe Altezza Torre 140 m Accumulo 15 h Eliostati 2650 Energia Prodotta 110 GWh
15 Disco Stirling Principio di Funzionamento Il principio di funzionamento prevede la concentrazione e la riflessione dell energia solare tramite disco specchiato, ad inseguimento biassiale, sul ricevitore puntuale, cui spetta il compito di trasferire al fluido di lavoro stipato nel motore l energia termica assorbita in calore per la conversione in energia elettrica. Un motore Stirling si rappresenta come un sistema chiuso riempito di gas (idrogeno o elio) ciclicamente raffreddato e scaldato. Il lavoro di compressione del gas freddo e quello di espansione quando caldo, non è equivalente, essendo maggiore quello che deriva dalla compressione, per cui dal ciclo termodinamico, si ottiene lavoro utile, cioè energia meccanica dalla variazione di pressione che agisce sui pistoni del motore, necessaria alla produzione di energia elettrica una volta convertita in un generatore o in un alternatore. Il limite, ovviamente, è dato dall incapacità di immagazzinare energia, a differenza degli altri sistemi solari termodinamici. DISCO PARABOLICO: - concentratore solare - ricevitore - motore accoppiato al generatore Stirling
16 FERA ITALIA- APPLICAZIONI ZASOLI (Siracusa) Termodinamico Integrato a Biomassa Primo impianto al mondo Potenza elettrica 200 kwe Potenza termica Caldaia 1 MW 8000 heq/a 1,4 GWh/a Biomassa 100% da scarti di produzione agricola Sistema di generazione elettrica ciclo termodinamico Vapore +ORC Ottobre 2012 Febbraio 2013 Marzo 2013 Inizio Costruzione Lavori Allaccio in rete Inizio attività di sperimentazione
17 FERA ITALIA- APPLICAZIONI ZASOLI Termodinamico Integrato a Biomassa
18 FERA ITALIA- APPLICAZIONI ZASOLI Termodinamico Integrato a Biomassa Non solo godrà dell'incentivo destinato alla produzione di energia elettrica da solare termodinamico, ma riceverà anche quello destinato alla produzione di energia elettrica da biomassa. E rappresenta una reale opportunità di conversione per gli impianti fotovoltaici già autorizzati o in corso di autorizzazione sfavoriti dal nuovo sistema incentivante".
19 FERA ITALIA- APPLICAZIONI GUSPINI (Sardegna) Impianto Commerciale CSP
20 FERA ITALIA- APPLICAZIONI Solar Cooling COP (Coefficient of Performance) indica quanta energia frigorifera viene prodotta dall energia termica in entrata (es: un COP pari a 0.7 corrisponde alla produzione di 0.7 kwhfr corrispondenti a un energia termica in entrata di 1 kwt
21 FERA ITALIA- APPLICAZIONI Solar Cooling ASSORBITORI: macchine che trasformano il calore in entrata in freddo. Potenze tipiche diverse centinaia di kw frigoriferi; Temperature richieste (80 C C). Poiché i tradizionali collettori solari termici non permettono di raggiungere temperature oltre C, la soluzione migliore è garantita mediante integrazione con sistemi ad assorbimento ad elevato COP con collettori solari a concentrazione.
22 Collettore Parabolico Lineare ITALIA- APPLICAZIONI ARCHIMEDE Impianto combinato con Centrale Termoelettrica (760 MWe) 54 Collettori 4,7 MWe Campo solare pari a 8 Ha 1,7 Ha/MW L energia solare raccolta dal campo CSP si utilizza per la produzione di vapore da inviare ai gruppi turboalternatori.
23 Collettore Parabolico Lineare ITALIA- APPLICAZIONI ARCHIMEDE Tubo Ricevitore Il tubo ricevitore in acciaio AISI 316 Ti, esige un rivestimento tale da assicurare una elevata assorbanza e bassa emissività il materiale, spettralmente selettivo che risponde alle richieste appena espresse è stato individuato nel CERMET; Il tubo in vetro (BoSi), che contiene al suo interno quello in acciaio, sarà soggetto ad un trattamento antiriflettente che renda minima la quantità di radiazione solare sul tubo non assorbita dunque persa per riflessione; L intercapedine tra tubo ricevitore e rivestimento in vetro deve caratterizzarsi di un certo grado di sottovuoto (10-4 mbar) che assicuri una limitazione massima allo scambio termico verso l esterno sia per conduzione che per convezione; La presenza di soffietti metallici alle estremità del sistema ricevitore, in leghe speciali vetro-acciaio rendono la struttura sicura in relazione alle escursioni di temperatura, dunque alle dilatazioni termiche previste nell esercizio impiantistico del sistema;
24 Collettore Parabolico Lineare ITALIA- APPLICAZIONI MAGGIO 2013 DEMO PLANT Prima centrale dimostrativa al mondo stand alone a Sali fusi 1 loop da 600 m DNI 1527 kwh/m 2 /a
25 INNOVA ITALIA- APPLICAZIONI MICROTERMODINAMICO Cogenerativo TRINUM Energia elettrica Energia Termica Trinum genera potenza elettrica (1kW e ) e produce energia termica (3 kw t ). Trinum produce ca kwh e e 6400 kwh t Trinum può produrre fino a 12 kwh e e litri di acqua calda al giorno.
26 INNOVA ITALIA- APPLICAZIONI MICROTERMODINAMICO Cogenerativo TRINUM Vantaggi Cogenerazione (elettricità, acqua calda) 40% più elettricità di 1 kw di fotovoltaico Non necessita di inverter E totalmente riciclabile Occupa la metà dello spazio di sistemi di potenza equivalente (fotovoltaico + solare termico)
27 Collettore Parabolico Lineare ITALIA- APPLICAZIONI Approvvigionamento Idrico 1) smaltimento di calore per il ciclo termodinamico Rankine; 2) pulizia delle superfici riflettenti; 3) produzione di acqua demineralizzata per l alimentazione dell isola di potenza. Lo smaltimento del calore a bassa temperatura, può giovarsi di due tipologie di raffreddamento, ciascuna caratterizzata da un differente apporto e consumo d acqua: 1) circuito aperto zona limitrofa ad un corso d acqua di sufficiente portata 110 m 3 /h per MW t (la portata richiesta dovrà valutarsi in relazione alla massima quantità di potenza termica da dissipare utile alla condensazione del vapore in uscita dalla turbina) 2) circuito chiuso a torri evaporative l apporto idrico richiesto risulta notevolmente ridotto, poiché parte del calore si dissipa mediante evaporazione. La portata d acqua si attesta intorno ad un valore di 2,30 m 3 /h per MW t. Le operazioni manutentive per la pulizia delle superfici captanti, si effettuano settimanalmente, con acqua naturale demineralizzata e con detergenti La quantità d acqua utilizzata, dipende, come è ovvio dal numero di collettori presenti sul campo solare, tuttavia, può orientativamente indicarsi un valore pari a 0,036 m 3 /g a collettore, avendo supposto un esercizio impiantistico continuativo nelle 24 h. L alimentazione con acqua demineralizzata per l alimentazione del ciclo vapore, si calcola in relazione alla potenza termica richiesta dalla turbina pari a circa 1,25 m 3 /giorno per MW t.
28 Solare Termodinamico D.M. 6 Luglio 2012 D.M. 11 Aprile 2008 D.M. 6 Luglio 2012 Superficie Captante minima: m Superficie Captante minima: non prevista Capacità nominale di accumulo termico: 1) pari a 1,5 kwh t /m² per qualunque taglia Capacità nominale di accumulo termico: 1) pari a 1,5 kwh t /m² se Superficie Captante > m 2) pari a 0,4 kwh t /m² se Superficie Captante compresa tra m e m 3) pari a 0 kwh t se Superficie Captante < m Frazione di Integrazione: non viene posta pari a zero nel caso in cui si utilizzi come fonte di integrazione una FER Tariffe incentivanti Non viene riconosciuta la tariffa incentivante massima per gli impianti ibridi che utilizzino come fonte di integrazione una FER Obiettivo nazionale di potenza nominale cumulativa m di superficie captante entro il 2016 Frazione di Integrazione: è posta pari a zero nel caso in cui si utilizzi come fonte di integrazione una FER Tariffe incentivanti Viene riconosciuta la tariffa incentivante massima per gli impianti ibridi che utilizzino come fonte di integrazione una FER Obiettivo nazionale di potenza nominale cumulativa m di superficie captante entro il 2020 Tempistica per l Accesso alle tariffe incentivanti : 14 mesi dalla data in cui verrà raggiunto il limite di superficie captante cumulativa Tempistica per l Accesso alle tariffe incentivanti : 24 mesi dalla data in cui verrà raggiunto il limite di superficie captante cumulativa
29 Solare Termodinamico D.M. 6 Luglio 2012 Tariffe incentivanti ( /kwh) e frazioni di integrazione (Fint %) D.M. 11 aprile 2008 Fino a 0,15 Tra 0,15 e 0,50 Oltre 0,50 Superficie captante m² 0,28 0,25 0,22 D.M. 6 Luglio 2012* Fino a 0,15 Tra 0,15 e 0,50 Oltre 0,50 Superficie captante m² 0,36 0,32 0,30 Superficie captante > m² 0,32 0,30 0,27 * Le tariffe incentivanti vengono ridotte del 5% per l anno 2015 e di un ulteriore 5% per l anno 2016
30 Solare Termodinamico Iter Autorizzativo-1 TABELLA RIASSUNTIVA ATTIVITA E TEMPI FASE PROGETTO ATTIVITA Tempi (weeks) Studio fattibilità -Verifica topografica --Radiazione solare e disponibilità infrastrutturali -Lay out preliminare -Dimensionamento impianto -Producibilità annua -Ricavi annui -Costi in conto capitale -Costi O&M -Business Plan 8
31 Solare Termodinamico Iter Autorizzativo-2 FASE PROGETTO ATTIVITA Tempi (weeks) Procedimento Autorizzativo (Autorizzazione Unica) Rilievo planialtimetrico Progettazione generale impianto di produzione Relazione Architettonica Relazione sulle Opere di Fondazione Computo metrico estimativo Relazione di Dismissione Impianto Relazione idraulica di smaltimento acque Studio di Impatto Ambientale Relazione di Incidenza Ambientale Valutazione impatto acustico Relazione di analisi impatto elettromagnetico Studio di ricaduta degli inquinanti al suolo Relazione Paesaggistica Pratica parere Antincendio Rapporto di sicurezza (Direttiva Seveso) Piano di emergenza interno (Direttiva Seveso) 20-24
32 Solare Termodinamico Iter Autorizzativo-3 FASE PROGETTO ATTIVITA Tempi (weeks) Allacciamento alla rete elettrica Progettazione preliminare Istruttoria per l allacciamento alla rete elettrica (STMD) 8 Redazione documentazione per contratto EPC ITB Specifiche Tecniche Standard di progettazione/esecuzione Parametri di garanzia e modalità di test 12
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