LA TECNOLOGIA SOLARE A CONCENTRAZIONE E LE INNOVAZIONI ENEA
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- Albina Riccardi
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1 LA TECNOLOGIA SOLARE A CONCENTRAZIONE E LE INNOVAZIONI ENEA Ing. Domenico Mazzei I giovedì della cultura scientifica 12 giugno 2003
2 Obiettivo: Utilizzo dell energia solare come sorgente di calore ad alta temperatura: produzione di energia elettrica produzione di idrogeno
3 Concentrazione dell energia solare Per raggiungere livelli di temperatura confrontabili con quelli ottenuti con le fonti di energia tradizionali ( C), è necessario concentrare l energia solare.
4 Solare termico a concentrazione Tecnologie attualmente disponibili: Collettori parabolici lineari: Parabolic Trough Torre solare: Power Tower Dischi parabolici: Parabolic Dish Parabolic Trough Power Tower Parabolic Dish
5 Dischi parabolici Alta efficienza, modularità, basse potenze (25 kw) Produzione distribuita. Tipologie dischi parabolici
6 Collettori parabolici lineari E la tecnologia maggiormente matura per la produzione elettrica su grande scala. Negli USA (California) sono attualmente in esercizio 9 impianti (da 14, 30 e 80 MW) per una potenza elettrica installata di 354 MW. Impianto di Kramer Junction
7 Collettori parabolici lineari: il funzionamento 390 C Fluido caldo 290 C Fluido freddo Generatore di vapore Sistema di produzione elettrica
8 Collettori parabolici lineari Gli svantaggi: Dipendenza della produzione di energia elettrica dalla intermittenza e variabilità della fonte solare, che costringe all utilizzo di combustibili fossili per integrare la produzione termica; Bassa efficienza di conversione, dovuta alla limitata efficienza di raccolta dell energia solare e alla bassa temperatura di lavoro del fluido (< 400 C); Alta pericolosità del fluido di lavoro: tossicità e infiammabilità.
9 L impianto di Kramer Junction (USA)
10 Torre solare Nessun impianto di questo tipo è attualmente in esercizio; l ultima esperienza è quella dell impianto sperimentale americano SOLAR TWO da 10 MW. A medio termine promette efficienze di conversione superiori e investimenti iniziali inferiori. Impianto SOLAR TWO
11 Torre solare: il funzionamento 565 C Serbatoi di accumulo Fluido caldo 290 C Generatore di vapore Fluido freddo Sistema di produzione elettrica
12 Torre solare I vantaggi Accumulo termico: indipendenza della produzione dalla variabilità della fonte solare, alti fattori di carico dell impianto; Alte temperature del fluido: alti rendimenti di conversione; Gli svantaggi Dimensioni eccessive della torre (l altezza dipende dall estensione del campo specchi che è proporzionale alla potenza dell impianto) Difficoltà nella concentrazione della radiazione solare sul ricevitore posto a centinaia di metri di distanza
13 La tecnologia ENEA Combina alcune caratteristiche dei sistemi a collettori parabolici lineari e di quelli a torre e prevede una serie di profonde innovazioni tecnologiche che permettono di superare i punti critici di entrambe Utilizzo geometria parabolica lineare Nuovo tubo ricevitore per operare ad alta temperatura (550 C) Sali fusi (KNO 3 - NaNO 3 ) come fluido termico (torri) Presenza di accumulo termico (torri)
14 La tecnologia ENEA: il funzionamento
15 La tecnologia ENEA: le innovazioni Collettore solare Accumulo termico 550 C Fluido termovettore Serbatoi di accumulo Fluido caldo Fluido freddo Tubo ricevitore Generatore di vapore 290 C Sistema di produzione elettrica
16 Collettore solare: riflettore parabolico impiego di specchi sottili sostenuti da una struttura a nido d ape (honeycomb) Focal length = 1.81 m Honeycomb & mirror Total aperture = 5.76 m Collector focal point Skin Core Mirror supporting fins Pillar Main suppo rting tube and rotation mechanis m 3.50 m 4.83 m Max tube height = 5.38 m 1m scale 0.5 m Basement Vista laterale del collettore solare
17 Collettore solare: struttura di supporto Soluzione attuale Soluzione ENEA
18 Collettore solare: ricevitore 1. Glass to metal connection 2. Glass envelope (BoSi) 3. Anti reflection coating: 97% transmission of solar radiation (AMS 1.5) 4. Barium getters - vacuum indicators 5. Getters for vacuum stability 6. Stainless steel tube 7. Expansion Compensating Bellows 8. Evacuated space 9. Solar coating (CERMET): Absorbance (AMS 1.5) - 97% Emissivity at 400 c Ricevitore SOLEL Prototipo ENEA
19 Tubo ricevitore: nuovo rivestimento selettivo IRRADIANCE (W m -2 µm -1 ) Ideal coating cut-off at 1.74 µm solar spectrum direct AM 1.5 Coating C Coating D black body 580 C REFLECTANCE (%) SiO 70nm WAVELENGTH ( µm) CERMET2 Mo-SiO 75nm Frazione Mo=0.2 CERMET1 Mo-SiO 75nm Frazione Mo=0.5 Mo 100 nm Stratificazione coating selettivo 4060 mm D e = 70 mm D i = 64 mm AISI 316L
20 Fluido termovettore Impianti in esercizio: Progetto ENEA: olio minerale con media temperatura di esercizio ( C). Alti costi, alto impatto ambientale,, e facilmente infiammabile. Non idoneo per realizzare sistemi di accumulo di energia termica; sono quindi necessari sistemi di integrazione a gas con emissioni di inquinanti. miscela di sali (KNO 3 - NaNO 3 ) con alta temperatura di esercizio ( C). Bassi costi e alta compatibilità ambientale (prodotto utilizzato in agricoltura come fertilizzante). Idoneo per realizzare sistemi di accumulo di energia termica.
21 Accumulo termico Trasforma l energia solare, per sua natura altamente variabile, in una sorgente di energia disponibile con continuità. Disaccoppia la raccolta dell energia termica dalla produzione di elettricità, estende il funzionamento dell impianto anche in assenza di sole. Sono necessari circa 5 m 3 /MWh Serbatoi impianto SOLAR TWO Schema serbatoio caldo
22 Accumulo termico: il funzionamento Solar density, W/m 2 Stored energy, MWh Delivered power, MW Power distribution before storage Energy 150 accumulated 180 in hot storage Orientation 300 N-S Hot tank full Power delivery after storage Failures to supply averaged power Time averaged, expected delivery Time [ day ]
23 La tecnologia ENEA Se sviluppata su larga scala, è in grado di produrre calore ad alta a temperatura utilizzabile in varie applicazioni industriali, in particolare p per la produzione di energia elettrica, ad un costo competitivo con quello relativo all utilizzo dei combustibili fossili e senza emissioni inquinanti. Sono state fatte delle valutazioni per impianti dimostrativi di piccola taglia ( 4 e 12 MW) e per il prototipo da 40 MW.
24 Impianto da 40 MW Caratteristiche Potenza elettrica: 40 MWe Numero di collettori solari: 816 (136 stringhe da 6 collettori) Superficie occupata: collettori: 50 ha totale: ha Module 1 (198 collectors) 1680 m Power Block Module 2 (198 collectors) Secondary line Headers 720 m Module 3 (420 collectors)
25 Impianto da 40 MW: bilanci di energia 816 collettori Energia termica Energia elettrica GWh Dimensione accumulo MWh 426,5 407,8 364,8 148,66 66,7% 63,8% 57,1% Produzione 23,2% 639,4 Campo solare Accumulo elettrica 141,23 Energia sol. 18,7 7,43 4,4% 43 5,0% Perdite 10,5% Ausiliari Mancato accumulo Rendimento netto sol. -> el. 0,221 Risparmio di energia primaria TEP Consumo specifico medio kcal/kwh Dato Autority Energia Emissione CO 2 evitata ton Emissione specifica 702 g/kwh Dato ENEL 2000
26 Impianto da 40 MW: costi di impianto (816 collettori, accumulo 1200 MWh) VOCE DI COSTO Importo unitario Unità di costo Costo impianto ( 10 3 ) Captazione 97,2 / m ,6% 9,1% 24,9% 2,9% Accumulo termico 8,7 / kwht ,7% Costi accessori Generatore vapore 124 / kw e Convenzionale 650,7 / kwe Sistemazione sito 74 / kw e Proget. e dir. lavori 146 / kw e Costi residui 238 / kwe Acquisto terreno 0,77 / m ,0% 10,0% 4,8% Convenzionale Generatore di vapore Accumulo termico Captazione Acquisto terreno Sistemazione sito Proget. e dir. lavori Costi residui TOTALE / kw e
27 Conclusioni Si tratta di una tecnologia matura dal punto di vista industriale e ma non ancora competitiva commercialmente con gli impianti termoelettrici convenzionali; Per la competitività commerciale la tecnologia deve essere incentivata con contributi a fondo perduto per abbattere gli attuali costi di impianto. Considerati i più elevati costi di esercizio e manutenzione sarebbe opportuno aumentare il periodo di emissione dei certificati verdi, in quanto questa tecnologia consente un risparmio di fonti primarie importate ed evita emissioni di inquinanti.
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