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3 INDICE Introduzione... pag Localizzazione dell impianto... pag Caratterizzazione della risorsa solare... pag Principali scelte progettuali... pag Configurazione e dimensionamento dell impianto... pag Specifiche tecniche dei principali componenti... pag Modulo ORC... pag Refrigeratori dell acqua... pag Campo solare... pag Sezione di accumulo termico... pag Sistema di distribuzione dell olio diatermico... pag Prestazioni dell impianto... pag. 34 Progetto Preliminare Pagina 2

4 Introduzione La realizzazione dell impianto oggetto della presente relazione si inserisce nell ambito degli interventi di cui al POR FESR , Asse III, Energia, e delle delibere della Giunta Regionale n. 32/29 del e 19/23 del In accordo alle citate delibere, gli interventi in questo settore sono volti a sperimentare e diffondere modelli di produzione energetica con caratteristiche innovative, con particolare riferimento all integrazione fra il solare termodinamico e altre fonti di energia rinnovabili ed allo sviluppo di sistemi integrati di produzione e accumulo di energia termica, chimica ed elettrica. In questo contesto, l Assessorato dell Industria ha pubblicato un avviso pubblico per la presentazione di manifestazioni di interesse da parte di Consorzi Industriali e/o Comuni della Sardegna, a realizzare e gestire uno o due impianti a tecnologia solare termodinamica a concentrazione (Determinazione del Direttore del Servizio Energia prot. n. 386 rep. 99 del ). Il Consorzio Industriale Provinciale del Medio Campidano-Villacidro, in associazione con il Comune di Villacidro, è risultato secondo nella graduatoria delle istanze ammissibili (Determinazione del Direttore del Servizio Energia prot. n rep. 526 del ) ed è stato poi nominato beneficiario a seguito della determina di scorrimento della suddetta graduatoria (Determinazione del Direttore del Servizio Energia prot. n 3655 rep. 68 del ). L avviso pubblico sopra citato prevedeva, tra le altre, una premialità per il livello di integrazione dell intervento proposto con processi attualmente esistenti, con benefici ambientali ed economici. In tal senso, l impianto solare termodinamico oggetto della presente relazione è integrato con l esistente impianto per la produzione di energia elettrica da biogas (prodotto da un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani e da una discarica controllata) al fine di realizzare una micro-rete per la fornitura dell energia elettrica richiesta dalla piattaforma di trattamento dei rifiuti del Consorzio. La realizzazione della micro-rete consentirà di bilanciare la produzione e la richiesta di energia grazie alla presenza del sistema di accumulo termico dell impianto solare termodinamico e di uno specifico sistema di accumulo elettrochimico. La soluzione impiantistica proposta per la micro-rete è stata sviluppata in modo da conciliare la necessità di sperimentare la tecnologia del solare termodinamico con le esigenze ed i vincoli imposti dalle caratteristiche degli impianti di generazione elettrica preesistenti all interno del Consorzio Industriale, nonché dei profili di carico delle utenze. Più in particolare, la configurazione dell impianto solare termodinamico oggetto della presente relazione è stata sviluppata con la finalità di sperimentare Progetto Preliminare Pagina 3

5 soluzioni integrative e complementari rispetto a quelle relative alle altre due proposte di impianti basati sulla tecnologia del solare termodinamico (finanziate sempre nell ambito del POR FESR , Asse III, Energia, e delle delibere della Giunta Regionale n. 32/29 e 19/23) da realizzarsi presso le sedi di Ottana da parte di ENAS (Ente Acque della Sardegna) e di Tortolì da parte del Consorzio Industriale Provinciale dell Ogliastra. Un impianto solare termodinamico (CSP, Concentrating Solar Power) produce energia elettrica a partire da energia solare attraverso l impiego di un fluido termovettore ad elevata temperatura e di un ciclo termodinamico. La captazione dell energia solare avviene mediante collettori a concentrazione, che consentono di incrementare la temperatura del fluido operativo fino ai valori, spesso anche molto elevati, richiesti dal ciclo termodinamico impiegato. L utilizzo di un fluido termovettore ad alta temperatura offre peraltro la possibilità di realizzare un sistema di accumulo termico, attraverso il quale l impianto solare termodinamico è in grado di produrre energia elettrica anche in assenza di irraggiamento solare o comunque quando richiesto dal gestore della rete elettrica. Nello specifico, l impianto solare termodinamico oggetto della presente relazione tecnica è costituito da tre sezioni fondamentali: a. Il campo solare, basato su collettori a concentrazione lineare preposti alla captazione dell energia solare ad alla sua conversione in energia termica. In particolare, il campo solare è costituito da un insieme di specchi Fresnel che concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore all interno del quale scorre un olio diatermico che viene riscaldato fino ad una temperatura di circa 260 C. La superficie netta di captazione solare è di circa m 2 per una corrispondente potenza termica prodotta in condizioni di progetto di circa 6120 kw. b. La sezione di potenza, nella quale l energia termica raccolta dal fluido termovettore viene convertita in energia elettrica attraverso un ciclo Rankine percorso da un fluido organico (Organic Rankine Cycle, ORC). L impianto richiede in ingresso una potenza termica di circa 3000 kw e presenta una potenza elettrica lorda di 600 kw. La quota parte di energia termica non convertita in energia elettrica dall impianto ORC viene quasi tutta rilasciata all acqua di raffreddamento del condensatore, a sua volta refrigerata mediante una batteria di scambio termico ad aria. Al netto degli assorbimenti interni, la potenza prodotta dall impianto ORC è di circa 575 kw e. Progetto Preliminare Pagina 4

6 c. La sezione di accumulo termico, nella quale la quota parte di energia termica prodotta dal campo solare che non può essere direttamente utilizzata dall impianto ORC viene accumulata al fine di poter essere utilizzata per la produzione di energia elettrica quando richiesto dall utenza indipendentemente dalla fonte solare. L accumulo termico viene realizzato mediante un serbatoio avente un volume interno di circa 270 m 3 contenente 450 t di un materiale di riempimento solido attraversato dal fluido termovettore e operante secondo il principio del termoclino. Il sistema è dimensionato per accumulare nominalmente circa 15 MWh termici, corrispondenti a circa 5 ore di funzionamento autonomo della sezione di potenza. Nel complesso, l impianto presenta una potenza netta di circa 530 kw, occupa una superficie di circa m 2 e sarà in grado di produrre circa 1280 MWh/anno di energia elettrica senza alcuna immissione nell ambiente di effluenti solidi, liquidi e gassosi. L impianto non presenta inoltre apprezzabili consumi di acqua e anche le emissioni acustiche risultano molto contenute. Progetto Preliminare Pagina 5

7 1. Localizzazione dell impianto L impianto verrà realizzato all interno del Consorzio Industriale Provinciale del Medio Campidano-Villacidro. L area risulta sostanzialmente pianeggiante, a circa 80 m s.l.m., e accessibile dalla strada statale 197. L area interessata alla costruzione dell impianto verrà acquisita dal Consorzio che provvederà anche a realizzare le necessarie opere di urbanizzazione primaria. Figura 1 Localizzazione dell impianto solare. Progetto Preliminare Pagina 6

8 2. Caratterizzazione della risorsa solare La valutazione dell energia solare disponibile, in mancanza di dati misurati direttamente nel sito, è stata effettuata attraverso il software Meteonorm, di largo impiego nel settore della progettazione degli impianti solari. Tale software valuta i principali parametri meteorologici di interesse per il dimensionamento degli impianti solari sulla base dei dati forniti dalle più vicine stazioni di misura, di dati satellitari e di specifiche correlazioni di letteratura. La Tabella 1 seguente riporta i principali dati di ventosità, temperatura e irraggiamento solare del sito di Villacidro (coordinate geografiche: latitudine 39,5 N e 8,78 E). In particolare, i dati relativi alla disponibilità di energia solare riportano i valori di energia media mensile associata alla radiazione solare globale su una superficie orizzontale G G,H e alla radiazione diretta su una superficie normale ai raggi solari G D,N (DNI). Mese Vento (m/s) Temperatura ( C) G G,H (kwh/m 2 ) G D,N (kwh/m 2 ) Gen 3,4 10, Feb 3,9 10, Mar 3,8 12, Apr Mag 4,3 14, ,3 18, Giu 4,5 23, Lug Ago 4,9 25, ,2 26, Set 3,9 22, Ott Nov 3,6 19, ,4 14, Dic 3,5 11, Anno 4,0 17, Legenda: G G,H Radiazione globale su superficie orizzontale G D,N Radiazione diretta su superficie ai raggi solari (DNI) Tabella 1 Sintesi dei dati meteorologici relativi al sito di Villacidro. Ai fini della progettazione e della valutazione delle prestazioni degli impianti solari a concentrazione, l informazione di maggiore interesse è quella relativa alla radiazione Progetto Preliminare Pagina 7

9 diretta su una superficie normale ai raggi solari (DNI, Direct Normal Irradiation). Infatti, mentre gli impianti solari termici e fotovoltaici convenzionali utilizzano sia la componente diretta che quella diffusa (la somma delle due componenti fornisce la radiazione globale) e mantengono una orientazione della superficie di captazione fissa rispetto al suolo, gli impianti solari a concentrazione (sia termodinamici che fotovoltaici) sono in grado di utilizzare solo la componente diretta dei raggi solari e sono dotati di un sistema di inseguimento della traiettoria solare su uno o due assi di rotazione. In relazione al loro sviluppo longitudinale, i collettori a concentrazione lineare sono dotati di un sistema di inseguimento ad un solo asse di rotazione, intrinsecamente meno efficiente di un sistema a due assi di rotazione, in quanto in grado di captare sono una quota parte della DNI. Nel complesso, la radiazione diretta sul piano normale ai raggi solari nel sito in esame, come evidenziato dalla Tabella 1, risulta pari a circa 1723 kwh/m 2 anno, rispetto ad una radiazione globale al suolo di circa 1650 kwh/m 2 anno. La Figura 2 riporta l andamento medio orario della radiazione normale diretta previsto per il sito di Villacidro in un anno tipo. Come mostrato nella Figura 2, i valori massimi della DNI sono dell ordine di 900 W/m 2 anche se tali valori vengono raggiunti solo per un limitato numero ore all anno. Il dimensionamento degli impianti solari termodinamici viene solitamente effettuato con riferimento ai valori più elevati della DNI (convenzionalmente si fa spesso riferimento alla DNI rilevata il 21 giugno alle 12.00, ovvero in corrispondenza del solstizio d estate). In questo caso, per le condizioni di progetto è stata assunta una DNI pari a 900 W/m 2. La Figura 3 riporta l andamento delle temperature medie orarie del sito, mentre le Figure 4 e 5 riportano gli andamenti orari nell arco dell anno dell altezza solare (angolo formato dai raggi solari rispetto al piano orizzontale) e dell azimuth (angolo formato dalla proiezione al suolo dei raggi solari rispetto al Sud). Ovviamente, i valori massimi dell altezza solare (circa 73 ) e della escursione dell angolo di azimuth (circa 232, cui corrisponde una durata di insolazione di circa 15,5 ore) si riscontrano in corrispondenza del solstizio d estate (21 giugno), mentre i valori minimi si hanno in corrispondenza del solstizio d inverno (21 dicembre). Progetto Preliminare Pagina 8

10 DNI (W/m 2 ) Ore dell'anno Figura 2 Radiazione diretta normale (DNI) nel sito di Villacidro Temperatura ( C) Ore dell'anno Figura 3 Temperatura media oraria nel sito di Villacidro. Progetto Preliminare Pagina 9

11 80 60 Altezza solare ( ) Ore dell'anno Figura 4 Altezza solare nel sito di Villacidro Azimuth solare ( ) Ore dell'anno Figura 5 Azimuth solare nel sito di Villacidro. Progetto Preliminare Pagina 10

12 3. Principali scelte progettuali In relazione all attuale stato dell arte, un impianto solare termodinamico può essere realizzato attraverso l impiego di differenti tipologie di collettore solare, fluido termovettore e ciclo termodinamico. I collettori solari a concentrazione utilizzati negli impianti CSP sono sostanzialmente di tre tipi: Collettori lineari; Sistemi a torre centrale; Sistemi a concentrazione puntiformi. I collettori a concentrazione lineare rappresentano la tecnologia attualmente più matura, adatta alla produzione di fluidi termovettori con temperature anche superiori a 500 C ed alla integrazione con sistemi di generazione elettrica aventi potenze a partire da poche centinaia di kwe fino a diverse decine di MWe. I collettori lineari concentrano la radiazione solare lungo un tubo all interno del quale scorre il fluido termovettore che può essere rappresentato da acqua, olio diatermico, una miscela di sali fusi oppure anche un gas. Tali collettori sono generalmente disposti con l asse principale orientato lungo la direzione Nord-Sud e operano l inseguimento della traiettoria solare attraverso un solo asse di rotazione lungo la direzione Est-Ovest, con una conseguente maggiore semplicità costruttiva ma anche una minore efficienza di captazione della radiazione solare rispetto ai sistemi a due assi di rotazione. I collettori lineari vengono generalmente integrati con sistemi di conversione dell energia basati su cicli Rankine a vapore d acqua (impianti con turbine a vapore convenzionali) oppure di fluidi organici (Organic Rankine Cycle, ORC). I sistemi a torre centrale utilizzano invece un insieme di specchi piani che, opportunamente orientati, indirizzano la radiazione solare verso un unico ricevitore posizionato sulla sommità di una torre, all interno della quale viene ospitato il sistema di riscaldamento del fluido termovettore. Il sistema a torre centrale consente di raggiungere temperature molto elevate (anche superiori a 1000 C) e di realizzare l inseguimento della traiettoria solare secondo due assi di rotazione, riuscendo così a sfruttare completamente la radiazione solare diretta disponibile. Tali collettori vengono generalmente integrati con impianti a vapore (ciclo Rankine) e sono pertanto impiegati per potenze superiori ad alcune decine di MW. Progetto Preliminare Pagina 11

13 Il sistema a concentrazione puntiforme (solar dish) utilizza collettori a forma di paraboloide che concentrano la radiazione solare sul proprio fuoco dove è anche alloggiato il sistema di conversione dell energia, solitamente basato su di un motore a ciclo Stirling. Il sistema è pertanto compatto e in grado di operare l inseguimento della traiettoria solare lungo due assi di rotazione. Questo tipo di impianto solare è ancora in fase di dimostrazione e risulta comunque più adatto a potenze dell ordine di qualche decina di kw. Sulla base delle considerazioni sopra riportate e della potenza dell impianto oggetto della presente relazione (potenza inferiore a 1 MWe), la scelta progettuale è ricaduta sui collettori lineari. Relativamente ai collettori a concentrazione lineare sono attualmente disponibili due differenti tecnologie: i collettori parabolici lineari e i collettori con specchi Fresnel. I primi utilizzano collettori a superficie cilindrica parabolica che riflettono i raggi solari sulla linea del fuoco dove è posizionato un tubo ricevitore all interno del quale scorre il fluido termovettore. Il collettore parabolico è costituito da una struttura metallica rivestita con specchi curvi in vetro in maniera tale da massimizzare il coefficiente di riflessione. Il tubo ricevitore, a sua volta contenuto in un tubo di vetro sottovuoto di maggiore diametro per minimizzare le perdite termiche, viene rivestito con specifici materiali che massimizzano l assorbanza e minimizzano l emittanza. La parabola è solidale con il tubo ricevitore, è montata su una struttura di sostegno che ne consente la rotazione lungo il solo asse longitudinale. I collettori parabolici hanno aperture tipiche di circa 5-6 m, con altezze massime di circa 7-8 m e sono assemblati in file lunghe circa m. In relazione alle loro caratteristiche geometriche, per evitare un eccessivo ombreggiamento reciproco, le file devono avere una spaziatura pari a circa 2,5-3,0 volte l apertura della parabola, cosicché l occupazione di terreno è pari a circa 2,5-3,0 volte l effettiva superficie di captazione. La maggior parte degli impianti solari termodinamici di grande potenza (tipicamente circa 50 MWe) impiega questa tipologia di collettore, con l utilizzo di olio diatermico a circa 400 C come fluido termovettore e di cicli a vapore convenzionali. I collettori lineari Fresnel utilizzano invece diverse file di specchi piani posizionati a livello del suolo e orientati in maniera tale da indirizzare la radiazione solare sul tubo ricevitore disposto in posizione sopraelevata. Anche in questo caso gli specchi sono realizzati in maniera tale da massimizzare il coefficiente di riflessione mentre il tubo ricevitore massimizza l assorbanza e minimizza l emittanza. I collettori Fresnel sono attualmente ad uno stadio di sviluppo commerciale meno avanzato rispetto ai collettori parabolici, ma sono potenzialmente in grado di garantire minori costi di Progetto Preliminare Pagina 12

14 installazione (utilizzano strutture di sostegno e di movimentazione più semplici e specchi piani in luogo di specchi curvi) una minore occupazione di spazio (non è richiesta una elevata distanza fra le file di specchi al fine di evitare l ombreggiamento reciproco) e appaiono più adatti ad impianti di medio-piccola potenza. Tali collettori operano solitamente a temperature inferiori rispetto a quelle dei collettori parabolici e utilizzano acqua surriscaldata o olio diatermico come fluido termovettore. La scelta progettuale è ricaduta in questo caso sui collettori lineari Fresnel perché le temperature massime conseguibili, seppure inferiori a quelle conseguibili con specchi parabolici lineari, soddisfano pienamente i requisiti di funzionamento di un impianto ORC che costituisce la soluzione adottata per la sezione di potenza (le temperature massime richieste sono dell ordine di C). Peraltro, i collettori lineari Fresnel sono stati scelti anche per la realizzazione degli altri 2 impianti solari termodinamici della stessa taglia (i già citati impianti di Ottana e di Tortolì) finanziati sempre nell ambito degli interventi di cui al POR FESR , Asse III, Energia. Lo svolgimento di attività sperimentali su impianti basati sulla stessa tipologia di campo solare e di impianto di generazione elettrica consentirà di raccogliere utili elementi di comparazione circa l influenza delle condizioni ambientali, della configurazione della sezione di accumulo termico e delle modalità di integrazione con le utenze.. I fluidi operativi utilizzabili negli impianti CSP sono l olio diatermico, l acqua, i sali fusi e alcuni gas inerti (azoto o anidride carbonica). Gli oli diatermici trovano largo impiego negli impianti di riscaldamento in quanto consentono di operare con temperature relativamente elevate pur operando a bassa pressione (solo nel caso degli oli diatermici operanti a temperature dell ordine di C, l elevata tensione di vapore richiede il funzionamento in pressione). La scelta dell olio diatermico consente di impiegare lo stesso fluido sia come fluido termovettore nei collettori solari sia come mezzo di accumulo termico, evitando la presenza di scambiatori di calore e a tutto vantaggio dell efficienza e del costo dell impianto. L utilizzo di acqua surriscaldata a temperature di circa 300 C richiederebbe invece l impiego di apparecchiature in pressione e la presenza di uno scambiatore di calore per consentire la realizzazione di un accumulo termico. Anche i sali fusi consentono di impiegare lo stesso fluido sia come fluido termovettore nei collettori solari sia come mezzo di accumulo termico, ma a differenza dell olio diatermico sono più adatti a temperature medie più elevate (i sali fusi più utilizzati negli impianti CSP operano fino a 550 C ma, a causa del pericolo legato alla loro solidificazione, non possono operare a temperature inferiori a circa C) e quindi a impianti di maggiore potenza. Infine, l utilizzo di fluidi gassosi è ancora allo stadio di sviluppo e risulta peraltro più adatto a impianti di maggiore taglia. Sulla base delle considerazioni Progetto Preliminare Pagina 13

15 sopra riportate, il fluido operativo selezionato per l impianto in oggetto è un olio diatermico. L accumulo termico con olio diatermico può essere realizzato mediante l impiego di due distinti serbatoi, uno che contiene l olio alla temperatura massima operativa e un altro che contiene invece l olio alla temperatura minima operativa, oppure mediante l impiego di un solo serbatoio contenente un materiale di riempimento ad elevata capacità termica e di basso costo (ghiaia, granito, carbonato di calcio, e similari) che viene progressivamente riscaldato dall olio durante la fase di carica e raffreddato durante la fase di scarica (nella zona di separazione fra la parte calda e la parte fredda è pertanto presente un gradiente di temperatura indicato come termoclino ). Questa seconda soluzione richiede minori volumi di olio per l accumulo e minori costi di impianto (legati sia alla minore quantità di olio che all impiego di un unico serbatoio), e pur in uno stadio di maturità meno avanzato rispetto alla soluzione a doppio serbatoio, viene considerata un opzione molto interessante, sia con riferimento all utilizzo di olio diatermico che di sali fusi. In tal senso, poiché la configurazione a doppio serbatoio diretto è stata adottata sia nell impianto solare termodinamico di Ottana sia in quello di Tortolì, la scelta è qui ricaduta su di un sistema di accumulo termico basato su un unico serbatoio a termoclino. Negli impianti solari termodinamici basati su collettori lineari, la conversione dell energia termica in energia meccanica può essere realizzata mediante cicli Rankine a vapore d acqua (impianti convenzionali con turbine a vapore) oppure cicli Rankine con fluidi organici (impianti ORC, Organic Rankine Cycle). Gli impianti con turbine a vapore sono tuttavia meno flessibili e più adatti a potenze di almeno qualche MWe. Per il campo di potenze nell intorno di 1 MW, risulta invece più adatto e meno costoso un impianto ORC, il quale è stato pertanto individuato come scelta progettuale nel caso in esame. Nel complesso, l impianto solare termodinamico oggetto della presente relazione tecnica risulta pertanto composto da tre sezioni fondamentali: a. Il campo solare, basato su collettori lineari Fresnel che nel loro insieme concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore all interno del quale scorre olio diatermico; b. La sezione di accumulo termico, realizzata mediante un sistema diretto ad olio diatermico, basato su un serbatoio di stoccaggio contenente un materiale di riempimento solido e operante secondo il principio del termoclino. c. La sezione di potenza, basata su un impianto a ciclo Rankine percorso da un fluido organico (Organic Rankine Cycle, ORC). Progetto Preliminare Pagina 14

16 4. Configurazione e dimensionamento dell impianto La Figura 6 illustra lo schema di processo dell impianto solare termodinamico. SEZIONE DI POTENZA ACCUM ULO TERM ICO CAM PO SOLARE VR ORC P1 ST VR P2 Dry Coolers Figura 6 Schema di processo dell impianto solare termodinamico. L olio diatermico proveniente dalla sezione di potenza ed eventualmente anche dal serbatoio di accumulo a termoclino ST viene alimentato al campo solare ad una temperatura di circa 150 C. L olio viene quindi ripartito fra 6 linee di collettori solari a concentrazione operanti in parallelo, dai quali fuoriesce a circa 260 C. L olio ad alta temperatura viene quindi alimentato all impianto ORC e, nel caso in cui la portata sia superiore a quella richiesta dalla sezione di potenza, una parte viene accumulata nel serbatoio ST. Viceversa, nel caso in cui la portata d olio proveniente dal campo solare sia insufficiente a soddisfare la richiesta del modulo ORC, essa viene integrata con un prelievo dal serbatoio di accumulo. L olio diatermico viene quindi nuovamente inviato, tramite la pompa principale, al campo solare. Nel modulo ORC, l energia termica ceduta dall olio diatermico consente di preriscaldare e vaporizzare il fluido organico (un olio siliconico) che costituisce il fluido operativo del ciclo termodinamico Rankine. Il fluido organico espande in una apposita turbina, viene riportato alla fase liquida mediante un condensatore raffreddato ad acqua e compresso. La potenza termica asportata dall acqua di raffreddamento del condensatore viene dispersa in atmosfera attraverso una batteria di scambiatori raffreddati ad aria. Il modulo ORC e le pompe di circolazione dell olio e dell acqua sono ospitati all interno dell edificio macchine termiche, opportunamente insonorizzato e ventilato. Progetto Preliminare Pagina 15

17 Il dimensionamento dell impianto è stato effettuato con riferimento ai dati climatici e ambientali riassunti nella seguente Tabella 4. Temperatura massima dell aria 38 C Temperatura minima dell aria 1 C Temperatura dell aria di progetto 18,0 C Umidità relativa media 74 % Velocità media del vento 4,0 m/s Radiazione solare diretta (DNI) di progetto 900 W/m 2 Altezza solare/azimuth di progetto 74,2 /0 Tabella 4 Dati meteorologici e ambientali di progetto. Con riferimento alle condizioni di progetto sopra riportate, i principali dati caratteristici dell impianto sono riassunti nella seguente Tabella 5. Sezione di potenza con impianto ORC Potenza elettrica lorda 600 kw Potenza termica ingresso modulo ORC 2970 kw Temperatura olio ingresso/uscita modulo ORC 260/150 Portata olio 11,5 kg/s Rendimento lordo modulo ORC 20,2% Potenza termica al circuito di raffreddamento 2340 kw Campo solare con collettori lineari Fresnel Superficie netta di captazione solare m 2 Potenza termica prodotta (DNI=900 W/m 2 ) 6120 kw Rendimento in condizioni di progetto 59,8% Portata olio diatermico 23,7 kg/s Multiplo solare 2,06 Sezione di accumulo termico Volume complessivo del serbatoio 270 m 3 Massa materiale di riempimento 450 t Massa olio diatermico 62 t Capacità di accumulo termico 14,85 Ore autonomia modulo ORC da solo accumulo 5 h Impianto solare termodinamico Assorbimenti elettrici interni 65 kw Potenza elettrica netta 530 kw Tabella 5 Principali dati caratteristici e prestazioni dell impianto solare termodinamico in condizioni di progetto. Progetto Preliminare Pagina 16

18 Come evidenziato in Tabella 5, l impianto è stato dimensionato con riferimento ad un modulo ORC con potenza lorda di 600 kw, cui corrisponde una potenza termica in ingresso di poco inferiore a 3000 kw fornita mediante olio diatermico a 260 C. In condizioni di progetto, la superficie effettiva di captazione del campo solare è sostanzialmente doppia rispetto alla superficie minima richiesta per produrre la potenza termica assorbita dal modulo ORC (il multiplo solare risulta pari a 2,06). Questa maggiore superficie di captazione consente di accumulare una significativa quantità di energia termica durante le ore di maggiore insolazione e di poterla quindi utilizzare in momenti successivi. L accumulo termico presenta un importante duplice vantaggio: esso può essere utilizzato per esercire il modulo ORC a potenza nominale, e quindi con il massimo rendimento, oppure per produrre l energia elettrica con prefissati profili. Come evidenziato in Tabella 5, l impianto è stato dimensionato per un accumulo termico di poco inferiore a 15 MWh corrispondenti a circa 5 ore di autonomia del modulo ORC a potenza nominale. A titolo di confronto, si può osservare che la normativa nazionale inerente l incentivazione dell energia da fonte solare termodinamica prevede un accumulo termico minimo pari a 0,4 kwh per m 2 di superficie netta di captazione (ovvero circa 4,55 MWh nel caso in esame). Nel complesso, considerando gli assorbimenti elettrici interni (ausiliari ORC, pompe, ventilatori degli aerotermi, sistema di movimentazione degli specchi, etc.), la potenza elettrica netta è pari a circa 530 kw. Progetto Preliminare Pagina 17

19 5. Specifiche tecniche dei principali componenti I principali componenti dell impianto solare termodinamico sono essenzialmente i collettori solari, il modulo ORC, i serbatoi di accumulo, le pompe e i refrigeratori dell acqua di raffreddamento del condensatore. Le principali specifiche tecniche di tali componenti vengono illustrate nel prosieguo. 5.1 Modulo ORC L intero progetto è stato sviluppato con riferimento ad un modulo ORC caratterizzato da una potenza nominale lorda di 600 kw. Un impianto ORC (Organic Rankine Cycle) produce energia elettrica (ed eventualmente energia termica a bassa temperatura) attraverso la conversione dell energia termica ceduta dall olio diatermico operando secondo un ciclo termodinamico Rankine. La quota parte dell energia termica fornita in ingresso e non convertita in energia meccanica viene resa disponibile all esterno sotto forma di acqua a bassa temperatura. Quest ultima viene quindi dispersa in atmosfera attraverso una batteria di refrigeratori ad umido (torri evaporative) o, come nel caso dell impianto considerato, a secco (dry-coolers). La Figura 7 illustra lo schema di funzionamento dell impianto ORC. Il fluido operativo allo stato liquido viene dapprima preriscaldato mediante rigenerazione interna (rigeneratore RG) e poi nel preriscaldatore alimentato con l olio diatermico (scambiatore PR), mentre la vaporizzazione del fluido operativo avviene in uno scambiatore separato (vaporizzatore VP). Il fluido operativo, in condizioni di vapore saturo (a circa 10 bar e 200 C) espande in una turbina (T), collegata meccanicamente al generatore elettrico (G). All uscita della turbina il fluido operativo si trova ancora allo stato di vapore e ad una pressione inferiore a quella ambiente (la pressione è di circa 0,15-0,25 bar) e viene raffreddato nello scambiatore rigenerativo. Nel condensatore (CD) raffreddato ad acqua, il fluido operativo viene riportato allo stato liquido e poi compresso mediante una apposita pompa (P). Lo schema circuitale di base può presentare in alcuni casi modifiche come, per esempio, la presenza di due circuiti dell olio diatermico (uno a bassa temperatura e uno a più elevata temperatura), oppure la condensazione a più elevata pressione per favorire la produzione di calore a media temperatura (unità ORC cogenerative). Le caratteristiche peculiari del ciclo ORC sono rappresentate dall impiego di un fluido operativo ad elevata massa molare che consente di utilizzare turbine monostadio, con diametri relativamente elevati e quindi basse velocità periferiche (contrariamente a quanto avviene invece nelle turbine a vapore di bassa potenza). La turbina Progetto Preliminare Pagina 18

20 mantiene pertanto elevati rendimenti, può ruotare a velocità compatibili con un accoppiamento diretto con il generatore elettrico (ovvero senza la presenza di riduttori) e presenta anche limitati fenomeni di erosione grazie al fatto che l espansione avviene solo nella zona del vapore secco. 5 G T 6 2 RG VP Ingresso olio 8 P Ingresso acqua 11 CD PR Uscita acqua 1 Uscita olio Figura 7 Schema di funzionamento dell impianto ORC Questi impianti sono generalmente caratterizzati da una notevole flessibilità operativa, con carichi minimi anche fino al 10-20% della potenza nominale e modeste riduzioni di rendimento in condizioni di off-design. La potenza degli impianti ORC varia da alcune centinaia di kwe fino ad alcuni MWe (oltre 5-10 MWe appaiono più competitivi gli impianti a vapore convenzionali), con rendimenti che partono da valori del 17-18% per le soluzioni più semplici fino a quasi il 25% per le soluzioni più sofisticate. Nel caso dell impianto considerato, in relazione ai modesti valori della potenza elettrica prodotta, la scelta si è indirizzata verso un modulo con temperatura in ingresso dell olio non particolarmente elevata (circa 260 C). In corrispondenza di una potenza lorda dell ordine di 600 kw, il rendimento del modulo è di circa il 20%, cui corrisponde una potenza termica in ingresso dell ordine di 3000 kw. Migliori rendimenti possono eventualmente essere conseguiti con impianti ORC aventi maggiori temperature di ingresso dell olio diatermico (fino anche a C), sebbene in questo caso sia richiesta la disponibilità di oli diatermici in grado di operare a queste temperature con adeguati requisiti di durata e a bassa pressione (al Progetto Preliminare Pagina 19

21 fine di evitare il ricorso ad apparecchiature in pressione nella sezione di accumulo termico). La potenza termica asportata dal condensatore è pertanto di poco inferiore a 2400 kw e viene ceduta all acqua di raffreddamento (che potrebbe essere anche impiegata per eventuali usi cogenerativi a bassa entalpia a circa 35 C). In considerazione dei consumi interni (circa 25 kw), la potenza netta prodotta in condizioni di progetto è di circa 575 kw e conseguentemente il rendimento netto risulta pari a circa il 19%. La Tabella 7 riporta le principali specifiche tecniche del modulo ORC. Potenza elettrica lorda 600 kw Potenza termica ingresso modulo ORC 2970 kw Temperatura olio ingresso/uscita modulo ORC 260/150 Portata olio 11,5 kg/s Potenza termica al condensatore 2340 kw Temperatura ingresso/uscita condensatore 25/35 C Portata d acqua condensatore 55 kg/s Rendimento lordo modulo ORC 20,2% Potenza netta modulo ORC 575 kw Rendimento netto modulo ORC 19,4% Tabella 7 Principali dati caratteristici del modulo ORC. In condizioni reali di funzionamento, la potenza e il rendimento di un impianto ORC dipendono tuttavia in maniera significativa dalla temperatura dell acqua di raffreddamento del condensatore (direttamente legata alla temperatura dell aria) e dal carico termico (che nell impianto in progetto dipende dalla radiazione solare disponibile e dal livello di carica dell accumulo termico). La Figura 8 illustra la variazione del rendimento lordo dell impianto ORC in funzione del carico termico (espresso in percentuale rispetto al carico in condizioni di progetto, pari a 2970 kw) e della temperatura dell aria ambiente (le condizioni di progetto corrispondono ad una temperatura dell aria di 18 C). Le curve sopra citate consentono di valutare il rendimento lordo e quindi la potenza prodotta dal modulo ORC in relazione ai valori medi orari della potenza termica a disposizione e della temperatura ambiente. Il modulo deve essere installato all interno di un apposito locale, opportunamente ventilato, con dimensioni minime pari a circa 8 metri di larghezza per 20 metri di lunghezza e 6 metri di altezza. In tal senso, il modulo ORC dovrà essere progettato Progetto Preliminare Pagina 20

22 per operare all interno di un locale chiuso, ventilato e non polveroso, con una temperatura interna compresa fra 5 C e 40 C. Il modulo dovrà essere preassemblato in fabbrica e montato su di una apposita piattaforma predisposta per l installazione e il fissaggio su una fondazione in calcestruzzo. Tutti i componenti del modulo ORC dovranno essere provvisti di un isolamento termico in materiale isolante con rivestimento in lamierino. Il livello di pressione sonora massimo del modulo ORC sarà di 90 db(a) misurato alla distanza di 1 metro e con l impianto funzionante in condizioni nominali. Il generatore elettrico sarà di tipo asincrono trifase, con frequenza in uscita di 50 Hz e tensione nominale di 400 V. La potenza elettrica netta prodotta dal modulo ORC dovrà essere regolabile almeno fra il 30% e il 100% del carico nominale. Temperatura ambiente ( C) Variazione rendimento (%) Carico termico Temperatura Carico termico ORC (%) Figura 8 Variazione del rendimento lordo dell impianto ORC in funzione del carico termico e della temperatura dell aria ambiente. Il modulo ORC dovrà funzionare in modalità completamente automatica senza la necessità di alcuna supervisione da parte del personale, sia in condizioni di normale esercizio sia in condizioni di emergenza. In caso di malfunzionamento o di condizioni di pericolo, il modulo ORC dovrà disconnettersi in automatico dalla rete elettrica e portarsi in condizioni di sicurezza. Progetto Preliminare Pagina 21

23 5.2 Refrigeratori dell acqua (dry-coolers) In condizioni di progetto, l acqua proveniente dal modulo ORC deve essere raffreddata dalla temperatura di 35 C fino alla temperatura di 25 C. La potenza termica da smaltire è pari a circa 2340 kw, cui corrisponde una portata d acqua di circa 55 kg/s (200 m 3 /h). Il sistema di refrigerazione selezionato opera completamente a secco attraverso l impiego di batterie di tubi alettati attraverso i quali l aria viene fatta circolare grazie all ausilio di appositi ventilatori (dry-coolers). L acqua calda proveniente dal modulo ORC può anche essere utilizzata, eventualmente, per scopi di riscaldamento degli ambienti mediante sistemi a bassa temperatura (pannelli radianti a pavimento). La sezione di refrigerazione dell acqua di raffreddamento del modulo ORC è costituita da 2 refrigeratori operanti in parallelo, ciascuno con potenza termica nominale di circa 1200 kw. La Tabella 8 riporta le specifiche tecniche essenziali dei refrigeratori dell acqua così come valutate in sede di progetto preliminare. Potenza termica al circuito di raffreddamento 2350 kw Numero refrigeratori 2 Potenza nominale refrigeratore 1200 kw Temperatura acqua ingresso/uscita 35/25 C Portata acqua singolo refrigeratore 100 m 3 /h Temperatura aria ingresso 18 C Portata d aria ingresso refrigeratore (DT=15 C) m 3 /h Potenza ventilatori refrigeratore 14,0 kw Tabella 8 Principali dati caratteristici dei refrigeratori dell acqua. I refrigeratori sono realizzati con tubazioni in rame provviste di alette in alluminio. La struttura dei refrigeratori è realizzata in acciaio. I ventilatori sono di tipo assiale e azionati da motori elettrici a basso consumo. Nel circuito sono installate due pompe di circolazione uguali, una di riserva all altra. Le perdite di carico nel circuito di refrigerazione sono state valutate pari a circa 1,2 bar, in relazione alle quali la pompa di circolazione dell acqua di refrigerazione presenta una prevalenza di circa 12,5 m. La pompa di circolazione dell acqua è una elettropompa centrifuga, con rendimento nominale dell 85% e una potenza elettrica assorbita di circa 7,5 kw. Le emissioni acustiche sono di circa 50 db(a) a 10 metri di distanza. Progetto Preliminare Pagina 22

24 A titolo esemplificativo, la Figura 9 riporta lo schema del refrigeratore considerato. Figura 9 Schema del refrigeratore a secco (A=12,8 m; B=4,66 m; C=3,50 m). I refrigeratori dell acqua dovranno essere installati all aperto, ad una distanza di 4 metri l uno dall altro e posizionati sopra un basamento in calcestruzzo realizzato in adiacenza all edificio che ospita il modulo ORC. Le dimensioni esterne del basamento sono di circa 15 m di lunghezza per 12 di larghezza. Le pompe di circolazione dell acqua sono installate all interno dell edificio che ospita il modulo ORC. La sezione di refrigerazione dell acqua dovrà operare in modalità completamente automatica senza la necessità di alcuna supervisione da parte del personale, sia in condizioni di normale esercizio sia in condizioni di emergenza. In tal senso, la pompa di circolazione e i ventilatori dei refrigeratori dell acqua devono regolare automaticamente le condizioni di funzionamento al variare della potenza termica da dissipare e delle condizioni ambientali. Progetto Preliminare Pagina 23

25 5.3 Campo solare I campo solare utilizzato sarà basato su un insieme di collettori lineari con specchi Fresnel aventi struttura modulare e opportunamente collegati fra loro in serie al fine di costituire una linea e di ottenere il prefissato valore di temperatura dell olio diatermico. Le diverse linee di collettori verranno poi collegate fra loro in parallelo al fine di ottenere il prefissato valore di portata dell olio diatermico. La Figura 10 illustra lo schema di un collettore lineare Fresnel realizzato attraverso il collegamento in serie di 8 moduli base. Ricevitore H Specchi L W Figura 10 Schema del modulo base del collettore solare con specchi Fresnel. Il modulo base del collettore è costituito da diverse file di specchi piani (o con solo una leggera curvatura) che nel complesso approssimano un profilo parabolico attraverso una opportuna inclinazione. Le file di specchi piani (il numero può variare da un minimo di 5-7 fino a circa 50) vengono movimentate attraverso una rotazione lungo l asse longitudinale per seguire la traiettoria solare. Tale movimentazione consente di indirizzare i raggi solari lungo la linea focale dove è posizionato il ricevitore. Quest ultimo è sostenuto da una intelaiatura metallica ad una distanza dal piano degli specchi variabile nell intervallo 4-8 metri, in relazione alla apertura totale degli stessi. Al fine di massimizzare l assorbimento della radiazione solare concentrata il ricevitore è dotato di una seconda superficie riflettente che indirizza verso il tubo assorbitore i raggi solari non direttamente intercettati da quest ultimo. Il Progetto Preliminare Pagina 24

26 tubo assorbitore è contenuto all interno di un tubo in vetro di maggiore diametro nella cui intercapedine è stato fatto il vuoto (tubi assorbitori sotto vuoto). La Figura 11 riporta, a titolo esemplificativo, il collettore lineare Fresnel installato presso la Plataforma Solar de Almeria, in Spagna, nell ambito del progetto FRESDEMO. Figura 11 Collettore lineare Fresnel installato presso la PSA di Almeria. Per l impianto solare termodinamico in esame è stato considerato un campo solare basato su moduli Fresnel con larghezza complessiva di 17 metri, lunghezza di 6,1 metri, 20 file di specchi con larghezza di circa 57 cm (cosicché il fattore di riempimento della superficie a specchi è di circa il 67%). Il ricevitore è costituito da un riflettore secondario e da un tubo assorbitore sotto vuoto con diametro interno di 70 mm all interno del quale scorre l olio diatermico. I singoli moduli sono collegati in serie al fine di realizzare una linea complessivamente lunga circa 165 metri (27 moduli per linea). Il campo solare risulta nel complesso composto da 6 linee aventi ai due opposti estremi i collettori con le tubazioni principali di arrivo e di mandata dell olio diatermico, come anche evidenziato nella precedente Figura 6. Progetto Preliminare Pagina 25

27 La Tabella 9 riporta le specifiche del campo solare considerate in sede di progetto preliminare. Modulo Solare Larghezza totale del modulo 17,0 m Lunghezza del modulo 6,1 m Superficie lorda del modulo 103,7 m 2 Superficie captante netta del modulo 70,2 m 2 Altezza del ricevitore dagli specchi 8,0 m Diametro tubo ricevitore 70 mm Rendimento ottico di riferimento 65,4 % Linea di collettori Numero di linee 6 Numero di moduli per linea 27 Lunghezza totale della linea 164,7 m Superficie lorda della singola linea 2799,9 m 2 Superficie netta di captazione della singola linea 1895,4 m 2 Distanza trasversale fra le linee 4,5 m Campo Solare Superficie lorda dei collettori 16799,4 Superficie netta di captazione 11372,4 Potenza termica nominale prodotta 6119,2 kw Temperatura ingresso olio diatermico 150 C Temperatura uscita olio diatermico 260 C Portata di olio 23,7 kg/s Rendimento globale in condizioni di progetto 59,8% Tabella 9 Principali dati caratteristici dei collettori lineari Fresnel. Le prestazioni in condizioni di progetto fanno riferimento ad una DNI di 900 W/m 2 (oltre che ad un angolo di azimuth pari a zero e ad una altezza solare di 74,2 ). Tuttavia, il campo solare opera generalmente con valori di radiazione solare diversa da quella di progetto. Peraltro, anche a parità di DNI, in relazione alla posizione istantanea del sole (altezza solare e angolo di azimuth), la radiazione solare diretta effettivamente incidente sul piano degli specchi risulta inferiore alla DNI, dal momento che gli specchi sono dotati di un sistema di inseguimento della traiettoria solare ad un solo asse. In particolare, i raggi solari non giungono sulla superficie degli specchi con una direzione uguale alla normale alla superficie. Inoltre, il Progetto Preliminare Pagina 26

28 rendimento ottico del modulo solare decresce all aumentare dell angolo di incidenza in relazione al comportamento non perfettamente isotropo dei diversi materiali (specchi, vetro, rivestimento della tubazione). Infine, l energia termica prodotta dal campo solare in condizioni di funzionamento diverse da quelle di progetto risente del fatto che la superficie degli specchi non è sempre perfettamente pulita, che il sistema di inseguimento presenta piccoli errori di puntamento, che sono presenti le perdite di estremità, le perdite termiche, etc. Ai fini pratici, si tiene conto delle perdite di efficienza legate all angolo di incidenza moltiplicando il rendimento ottico di riferimento per un fattore correttivo (il cosiddetto IAM, Incidence Angle Modifier). Per i collettori lineari Fresnel, tale fattore viene scomposto in una componente longitudinale (IAM L ) e in una trasversale (IAM T ) che dipendono dalle rispettive componenti longitudinale L e trasversale T dell angolo di incidenza. La Figura 12 riporta l andamento dei due fattori correttivi in funzione delle due componenti dell angolo di incidenza, valutato per i collettori Fresnel previsti dell impianto in progetto. IAM L e IAM T IAM T IAM L Angolo di incidenza trasversale e longitudinale Figura 12 Fattori correttivi IAM L e IAM T in funzione delle componenti longitudinali e trasversali dell angolo di incidenza. La presenza di una componente longitudinale dell angolo di incidenza introduce anche una perdite di estremità, legata al fatto che una parte della superficie riflettente non riesce ad indirizzare i raggi solari in corrispondenza del ricevitore secondario. Nella pratica si tiene conto di tali perdite moltiplicando la superficie riflettente per un fattore correttivo valutabile attraverso la seguente relazione: Progetto Preliminare Pagina 27

29 = 1 ( ) La potenza termica prodotta dal campo solare può essere in tal modo valutata in funzione dei valori medi orari della radiazione solare e della posizione del sole, considerata una perdita termica specifica nel tubo ricevitore di 3,5 W/m. L intera struttura del campo solare deve essere realizzata in acciaio, vincolata al terreno attraverso un sistema di fissaggio idoneo a garantire in maniera stabile l orientazione prevista dal progetto, con venti fino a 20 m/s. Il campo solare è dotato di un sistema di pulizia degli specchi ad acqua, con un consumo annuo di acqua pari a circa 25 m 3. I tratti di tubazione di collegamento fra il ricevitore solare e le flange dei collettori principali di arrivo e di mandata dell olio diatermico sono realizzati in acciaio adatto all impiego di fluidi ad alta temperatura. Le tubazioni di collegamento sono coibentate con coppelle di lana di roccia e rivestimento in lamierino di alluminio. In corrispondenza di tutti i collegamenti flangiati sono previsti opportuni pozzetti di contenimento e di raccolta delle eventuali perdite di olio. Il campo solare dovrà funzionare in modalità completamente automatica senza la necessità di alcuna supervisione da parte del personale, sia in condizioni di normale esercizio sia in condizioni emergenza. In caso di malfunzionamento o di condizioni di pericolo (eccessiva velocità del vento, sovratemperatura dell olio, perdite di olio, etc.) l alimentazione dell olio diatermico dovrà essere interrotta e il campo specchi posto in condizioni di sicurezza. La potenza termica prodotta dal campo solare dovrà essere regolabile almeno fra il 20% e il 100% in relazione alla possibilità di produrre minori portate di olio diatermico rispetto a quelle consentite dalla energia solare disponibile (serbatoio di accumulo termico completamente carico o indisponibile). 5.4 Sezione di accumulo termico La sezione di accumulo termico è stata dimensionata con l obiettivo di garantire il funzionamento della sezione di potenza per circa 5 ore a potenza nominale attraverso l alimentazione di olio diatermico a 260 C e la sua restituzione a 150 C. Considerata la potenza termica del gruppo ORC (2970 kw), la sezione di accumulo termico deve essere in grado di accumulare nominalmente 14,85 MWh. La sezione di accumulo termico è costituita da un unico serbatoio in acciaio contenente il materiale di riempimento solido che viene attraversato alternativamente Progetto Preliminare Pagina 28

30 dall olio diatermico nelle due direzioni durante i cicli di carica e di scarica. La fase di carica avviene introducendo l olio proveniente dal campo solare (a circa 260 C) dalla parte alta del serbatoio attraverso un opportuno distributore al fine omogeneizzare il flusso lungo tutta la sezione trasversale del serbatoio. L olio ad alta temperatura percorre dall alto verso il basso il serbatoio, riscaldando così strati progressivamente crescenti di materiale solido, il quale si porta ad una temperatura pari a quella dell olio in ingresso. Nell attraversare il letto di materiale solido l olio si raffredda, viene raccolto nella parte bassa del serbatoio alla temperatura di circa 150 C e viene nuovamente convogliato al campo solare. Durante la fase di carica, lo strato di materiale solido ad alta temperatura (circa 260 C) è separato dallo strato a bassa temperatura (circa 150 C) da una zona intermedia dove è presente un gradiente termico (il termoclino), che si sposta progressivamente dall alto verso il basso del serbatoio. A titolo esemplificativo, la Figura 13 illustra la tipica evoluzione del profilo di temperatura all interno di un serbatoio a termoclino durante la fase di carica. Figura 13 Evoluzione del gradiente di temperatura durante la fase di carica. La fase di scarica avviene inviando l olio a bassa temperatura (150 C) proveniente dal modulo ORC nella parte bassa del serbatoio attraverso un opportuno distributore al fine di omogeneizzare il flusso lungo tutta la sezione trasversale del serbatoio. L olio si riscalda a contatto con il materiale solido, che conseguentemente si raffredda, e fuoriesce dall alto del serbatoio, dove viene raccolto e convogliato nuovamente all impianto ORC a circa 260 C. Durante la fase di scarica, il gradiente di temperatura trasla pertanto dalla parte bassa alla parte alta del serbatoio. In un serbatoio a termoclino il maggior contributo all accumulo deriva dalla presenza del materiale solido che occupa gran parte del volume a disposizione, mentre l olio Progetto Preliminare Pagina 29

31 occupa solamente gli spazi vuoti fra i diversi elementi solidi (in tal senso, un importante parametro funzionale è la frazione di vuoto del serbatoio di accumulo). L energia massima accumulabile è pari al prodotto della massa di materiale di accumulo (solido più liquido) per il suo calore specifico e per la differenza di temperatura (110 C in questo caso). Tuttavia, la presenza del gradiente di temperatura sia durante la fase di carica sia durante la fase di scarica impedisce di sfruttare completamente la massa (e quindi il volume) di materiale solido e di olio a disposizione. Vincolando la temperatura minima dell olio in uscita durante la fase di carica alla temperatura prevista in ingresso al campo solare (150 C) e la temperatura massima dell olio in uscita durante la fase di scarica alla temperatura prevista in uscita dal campo solare (260 C), la quota parte di energia termica effettivamente accumulabile rispetto a quella massima accumulabile è dell ordine dell 80-90%, mentre la quota parte di energia termica effettivamente trasferita all olio diatermico durante la fase di scarica è circa l 80-90% di quella effettivamente accumulata. Nel complesso, si può pertanto definire un rendimento del processo di carica e scarica del serbatoio di accumulo, pari al rapporto fra l energia termica effettivamente trasferita all olio diatermico durante la fase di scarica e la massima quantità di energia termica in esso accumulabile. Nel complesso, tale rendimento risulta dell ordine del 60-70% e aumenta all aumentare dell aspect ratio (rapporto altezza/diametro) del serbatoio. Esso aumenta anche accettando maggiori temperature dell olio in uscita dal fondo del serbatoio durante la fase di carica (fattore che tende a far crescere le perdite termiche nei collettori e nelle tubazioni di trasporto dell olio) e minori temperature dell olio in uscita durante la fase di scarica (fattore che tende invece a ridurre l efficienza di conversione della sezione di potenza). Nel caso dell impianto solare in esame è stato considerato un rendimento del ciclo di carica e scarica pari al 65%. Nel caso dell impianto solare in esame, la sezione di accumulo è stata dimensionata considerando come materiale di riempimento roccia di provenienza locale (granito o carbonato di calcio) per la quale è stata considerata una densità di 2700 kg/m 3 e un calore specifico medio di 0,80 kj/kgk. Al fine di ridurre gli spazi vuoti e quindi il volume di olio richiesto, l accumulo viene realizzato utilizzando sia materiale in granulometria grossolana (circa 5 cm) sia materiale sabbioso (circa 2 mm di dimensione media). Il materiale di riempimento è costituito per l 80% da roccia grossolana e per il 20% da sabbia, con un corrispondente fattore di vuoto di circa il 30%. In relazione al quantitativo di energia termica da accumulare, il volume lordo della zona di accumulo del serbatoio è di circa 237 m 3, dei quali 166 m 3 occupati dal solido (circa 450 t) e 71 m 3 dall olio (circa 54 t a 260 C). Per quanto concerne l olio, è stata Progetto Preliminare Pagina 30

32 considerata una densità di 860 kg/m 3 a 150 C e di 760 kg/m 3 a 260 C. Il serbatoio è stato peraltro dimensionato prevedendo un volume interno maggiore rispetto a quello occupato dal materiale di riempimento in maniera tale da poter far fronte alla variazione di volume dell olio in relazione all incremento di temperatura e da poter ospitare, nel caso, anche l olio diatermico presente nell intero circuito. In tal senso, il volume utile del serbatoio è di 270 m 3 che, in corrispondenza di un aspect ratio unitario, corrisponde ad un diametro di circa 7 m e una pari altezza. Il serbatoio contiene, come detto, circa 450 t di materiale di riempimento e circa 62 t di olio diatermico. Dei 270 m 3 di volume interno, circa 238 m 3, corrispondenti ad una altezza di circa 6,20 m, sono effettivamente occupati dal materiale di riempimento (ivi compresi gli spazi vuoti destinati ad ospitare l olio diatermico) mentre i restanti 32 m 3, corrispondenti ad una altezza di circa 0,8 m, costituiscono il volume disponibile sopra il materiale di riempimento. In condizioni di serbatoio completamente carico (ovvero olio e materiale di riempimento a 260 C) il livello dell olio risulta pari a circa 6,5 m (ovvero circa 0,3 m sopra il materiale di riempimento). Il volume a disposizione sopra il materiale di riempimento viene pressoché occupato completamente nel momento in cui il serbatoio dovesse accogliere anche l olio diatermico presente nell intero circuito. La Tabella 10 riporta le principali specifiche tecniche del serbatoio di accumulo termico, mentre la Figura 14 fornisce una sua rappresentazione schematica. Energia termica accumulata 14,85 Temperatura operativa massima 260 C Volume interno 270 m 3 Diametro interno/esterno 7,0/7,8 m Altezza interna 7,0 m Altezza esterna 8,0 m Massa di olio diatermico 62 t Massa di materiale riempimento 450 t Fattore di vuoto 0,30 Rendimento ciclo carica/scarica 65% Tabella 10 Principali dati caratteristici del serbatoio di accumulo. Il serbatoio di accumulo è del tipo a tetto fisso, realizzato in acciaio al carbonio e poggia su una fondazione in calcestruzzo opportunamente dimensionata in relazione al carico. Il serbatoio è coibentato con pannelli di lana di roccia (circa 40 cm) rivestiti con lamierino, al fine di contenere la diminuzione di temperatura interna entro 1 C/giorno. Il diametro esterno dei serbatoi risulta pertanto pari a circa 7,8 metri, mentre l altezza complessiva è di circa 8,0 metri. I serbatoi sono dotati di un sistema Progetto Preliminare Pagina 31

33 di iniezione di azoto atto a mantenere una atmosfera inerte sopra il pelo libero dell olio ed evitare fenomeni di ossidazione, nonché di un idoneo sistema di sfiato. L azoto di reintegro viene fornito da un idoneo pacco bombole in pressione. Inoltre è prevista la presenza di tutti i necessari sistemi di sicurezza e di un adeguato sistema antincendio. Infine, in relazione alla natura sperimentale del serbatoio di accumulo a termoclino, è prevista la sua strumentazione attraverso l installazione di una serie di termocoppie (circa 40) per la misura del profilo assiale di temperatura. Livello olio Azoto Distributore Collettore olio 8.0 m 7.0 m 6,2 m M ateriale di riempimento Isolamento Bacino di contenimento 7.0 m Distributore Collettore olio 0.7 m Fondazione 13.0 m Figura 14 Schema del serbatoio di stoccaggio a termoclino. Le norme che regolamentano lo stoccaggio degli oli minerali sono ancora oggi sostanzialmente basate sul Decreto Ministeriale del 31 Luglio 1934 e sulle sue successive modifiche. In relazione alla classificazione prevista dal DM 31 luglio 1934, l olio diatermico utilizzato appartiene alla categoria C (liquidi combustibili), avendo una temperatura di infiammabilità superiore a 125 C. Il deposito può essere classificato come appartenente alla 9 classe, avendo una capacità compresa fra 25 e 1000 m 3. La normativa stabilisce che, per la classe considerata, la zona di protezione, ovvero la distanza minima fra i serbatoio e il recinto di protezione dell impianto deve essere pari a 1,5 metri, la distanza dai fabbricati esterni dai serbatoi deve essere almeno pari a 2 metri e la distanza fra i fabbricati esterni e il perimetro di magazzini e locali deve essere di almeno 3 metri. La distanza fra serbatoi contigui deve essere almeno Progetto Preliminare Pagina 32

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