Solare a concentrazione ad Alta Temperatura: il progetto Archimede

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1 Solare a concentrazione ad Alta Temperatura: il progetto Archimede M. Falchetta, D. Mazzei absolute automation Roma, 14 maggio,

2 Argomenti della presentazione Overview della tecnologia solare termodinamica a concentrazione La tecnologia ENEA Il progetto ENEL/ENEA Archimede La problematica di controllo e automazione absolute automation Roma, 14 maggio,

3 Overview della tecnologia solare termodinamica TITOLO absolute automation Roma, 14 maggio,

4 Elementi di base della tecnologia CSP Concentratore Vapore ad alta temperatura ( C) Rete elettrica Generatore elettrico Turbina a vapore Definizione internazionale: CSP. Acronimo di Concentrating Solar Power absolute automation Roma, 14 maggio,

5 Elementi di base della tecnologia CSP Sistema a collettori parabolici (parabolic trough) Fonte: solarpaces.org Fonte: CSP-GMI Initiative absolute automation Roma, 14 maggio,

6 Elementi di base della tecnologia CSP Sistemi a torre centrale Fonte: solarpaces.org Fonte: Sandia Solar Two plant absolute automation Roma, 14 maggio,

7 Elementi di base della tecnologia CSP Sistemi a disco parabolico Fonte: solarpaces.org Fonte: CESI - Eurodish absolute automation Roma, 14 maggio,

8 Impianti SEGS anni 80 SEGS: Solar Electric Generating System 9 impianti in tre siti (Daggett, Kramer Junction, Harper Lake), Deserto del Mojave (CA) Taglia unità: da 14 a 80 MWe Installati tra il 1984 e il 1990 Potenza totale: 354 Mwe Ancora operativi: le unità da III a IX sono gestite da FPL Energy; attualmente in fase di ammodernamento absolute automation Roma, 14 maggio,

9 Schema di impianto SEGS con collettori a olio (anni( 80) absolute automation Roma, 14 maggio,

10 Schema AndaSol collettori a olio e accumulo a sali fusi (2008) Fonte: Flabeg Solar International absolute automation Roma, 14 maggio,

11 Accumulo a Sali fusi Introdotto nell impianto a torre da 10 MWe Solar Two ( ). Vantaggi: Temperature fino a 565 C Basso costo Sfida tecnologica Richiede un sistema addizionale di riscaldamento per la parti di circuito interessate dai Sali (temperatura di solidificazione: 238 C per I Sali più economici); il sistema deve essere cost-effective absolute automation Roma, 14 maggio,

12 Diagramma di produzione con accumulo - AndaSol Fonte: Flabeg Solar Millennium absolute automation Roma, 14 maggio,

13 Impianto integrato solare/ciclo combinato (ISCC) absolute automation Roma, 14 maggio,

14 Progetti recenti e prospettive di mercato Nevada Solar One: 64 MWe a collettori parabolici lineari a olio, 390 C, Consegnato nel giugno 2007 Progetto Pacific gas & Electric: in programma 553 MW da realizzare entro il 2011 nel deserto del Mojave. AndaSol: 2+2 unità da 50 MWe, a collettori parabolici lineari e accumolo a Sali fusi Temp. 390 C Sito: Spagna. In fase di ultimazione (2008) la prima unità. USA+ Spagna: 7500 MW entro il 2020 (studio di Emerging Energy Research: Global Concentrated Solar Power Markets and Strategies, ) absolute automation Roma, 14 maggio,

15 Nevada Solar One Foto aerea Nevada Solar One (USA) absolute automation Roma, 14 maggio,

16 La prospettiva di medio lungo termine Nelle zone desertiche, in particolare a sud del Mediterraneo, incide una grande quantità di energia solare sfruttabile a basso costo Si è valutato che per ogni metro quadro l energia incidente in un anno equivale a quella ottenibile da circa un barile di petrolio è come se su quelle aree piovessero circa 30 cm di petrolio ogni anno absolute automation Roma, 14 maggio,

17 Distribuzione del flusso solare nel Mediterraneo Distribuzione del flusso solare diretto nell area mediterranea: a Sud il flusso è più che doppio! absolute automation Roma, 14 maggio,

18 Valutazione DLR Le aree in rosso sono in grado di fornire l energia l elettrica corrispondente rispettivamente al consumo mondiale, a quello dell Europa a 25, a quello della Germania Fonte: Iniziativa TREC Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation absolute automation Roma, 14 maggio,

19 SCENARIO TRANS-CSP Vi sono studi per collegare Europa e Mediterraneo in un unica unica rete a energia rinnovabile (Supergrid( Supergrid) absolute automation Roma, 14 maggio,

20 SCENARIO TREC/TRANS-CSP CSP Potenza di trasmissione [ GW ] 2 x 5 8 x 5 14 x 5 20 x 5 Energia trasferita [ TWh/a ] Investimento impianti solari [ G ] Investimento linee HVDC [ G ] Scenario dello studio TRANS-CSP per la trasmissione verso l Europa di energia solare prodotta da impianti CSP nel Nord Africa Fonte: Iniziativa TREC Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation absolute automation Roma, 14 maggio,

21 DESERTI-1 Occorre considerare che i deserti in questione non sono così: absolute automation Roma, 14 maggio,

22 DESERTI-2 Ma così: absolute automation Roma, 14 maggio,

23 Programma R&S - ENEA Nel 2001 l ENEA ha attivato un programma di sviluppo della tecnologia solare ad alta temperatura con due obiettivi: 1. Produzione di elettricità solare usando tecnolgia CSP a media temperatura (550 C) CSP 2. Produzione diretta di idrogeno utilizzando conversione termochimica ad alta temperatura ( 850 C). o 75 ricercatori e tecnici coinvolti o budget finora utilizzato (spese vive): 17 Ml. absolute automation Roma, 14 maggio,

24 ITALIAN SOLAR ROADMAP Start-up Archimede power plant Design and construction Archimede power plant Agreement with ENEL (Italian electricity utilities) 2006 Experimental phase new components Start-up of the test facility (PCS) Building test facility and main components Design components and test facility (PCS) Start-up of the project 2001 absolute automation Roma, 14 maggio,

25 QUADRO POLITICO MARZO 2008 Da: Position Paper del Governo italiano. 10 settembre 2007 Potenziale del solare termodinamico: 1000 MWe al 2020 D.M. 11 aprile 2008 per l incentivazione della produzione di energia elettrica dalla fonte solare mediante cicli termodinamici, in attuazione dell articolo 7 del d.l. 29 dicembre 2003, n. 387 Prescrive l utilizzo di elementi propri della tecnologia ENEA Si ipotizza una copertura di circa il 60-70% tramite la tecnologia ENEA absolute automation Roma, 14 maggio,

26 TECNOLOGIA ENEA Sali fusi come fluido termovettore La tecnologia ENEA si caratterizza per l uso di Sali fusi sia come fluido termovettore che come mezzo di accumulo, in collettori parabolici lineari; vantaggi: Temperatura vapore (540 C invece di 390 C) più elevata, pur utilizzando collettori parabolici (prodotto relativamente maturo ) Non è richiesto lo scambiatore olio/sali Costo dell accumulo molto più basso (volume dimezzato). I Sali non sono inquinanti e non sono infiammabili Sfida: tutta la rete di tubazioni lavora con Sali fusi absolute automation Roma, 14 maggio,

27 Tecnologia CSP ENEA Impianto stand alone Impianto integrato absolute automation Roma, 14 maggio,

28 TECNOLOGIA ENEA NUOVA STRUTTURA PORTANTE ENEA Eurotrough USA-Kramer Junction absolute automation Roma, 14 maggio,

29 TECNOLOGIA ENEA - Nuovo tubo ricevitore absolute automation Roma, 14 maggio,

30 Circuito sperimentale PCS (Prova( Collettori Solari) absolute automation Roma, 14 maggio,

31 Progetto Archimede ENEL/ENEA Obiettivo impianto solare, basato su tecnologia ENEA, integrato con una centrale a ciclo combinato. Priolo Centrale ENEL absolute automation Roma, 14 maggio,

32 Archimede Project 2 unità da 380 MWe Turbina a gas 250 Mwe Turbina a vapore 130 MWe absolute automation Roma, 14 maggio,

33 Archimede Project Area disponibile absolute automation Roma, 14 maggio,

34 Archimede Project Campo solare Accumulo termico Condotta vapore absolute automation Roma, 14 maggio,

35 Archimede Project absolute automation Roma, 14 maggio,

36 Archimede Project Curva di produzione durante giornate estive tipiche 25 From Solar Field To Steam Generator Stored Energy Storage capacity 80 Thermal power [ MW ] Thermal Energy [ MWh ] Time [ h ] absolute automation Roma, 14 maggio,

37 Progetto Archimede: il dimostratore Impianto ENEL di Priolo Gargallo (SR) Impianto a ciclo combinato Impianto solare Potenza elettrica 4,7 MWe Produzione elettrica 9,1 GWhe/a Rendimento sol->el 15,4% Risparmio energia TEP/a Riduzione CO t/a Numero di collettori 54 Area specchi m 2 Area occupata ~8 ha Accumulo termico 80 MWh (6,7 h) Sito Priolo Gargallo (SR) Radiazione diretta (DNI) 1,936 kwh/ m 2 a absolute automation Roma, 14 maggio,

38 Controllo e Automazione d impianto d L obiettivo è il controllo e automazione del dimostratore Archimede ; con un occhio anche alle future centrali 1. Assicurare l integrità dell impianto 2. Regolare il processo 3. Ridurre il costo del kwh Ridurre i costi di gestione e manutenzione (O&M) Massimizzare la resa in tutte le condizioni Ottenere tutto ciò a costi limitati Ciò richiede un alto livello di automazione delle operazioni absolute automation Roma, 14 maggio,

39 Ripartizione dei costi Reti ausiliarie 2% Gestione sali 1% Regolazione e controllo 3% Rete distribuzione 7% Generatore di vapore 7% Fluido termovettore 6% Serbatoi accumulo 6% Opere civili 7% Prog. e dir. lavori 5% Costi accessori 11% Collettori solari 45% Ripartizione dei costi previsti progetto preliminare Priolo absolute automation Roma, 14 maggio,

40 Esempi sale controllo SEGS Esempi di sale controllo Kramer Junction California (USA) absolute automation Roma, 14 maggio,

41 Sala controllo ENEL - Priolo Sala controllo centrale Archimede Priolo 760 MW absolute automation Roma, 14 maggio,

42 Ambiti del controllo Supervisione di impianto/automazione delle transizioni di stato Gestione del sistema di pre-riscaldamento e sicurezza Controllo delle temperature Componenti Un insieme di sensori (T, P, livello, portata, meteo ) Un insieme di attuatori (valvole, pompe, alimentatori, movimentazione collettori ) Una rete di comunicazione Un sistema HW-SW di elaborazione absolute automation Roma, 14 maggio,

43 Architettura tipica Area Supervisione e Controllo Area Amministrazione Ingegneria Postazione operatore 1 Postazione operatore N Meteo e Simulazione Stampante Allarmi Ethernet Analisi dati Gestione manutenzioni Utilità Field Controller XT Strumentazione fieldbus Dati storici Stampanti Plotter SCHEDE I/O remoto BUS di campo XT Strumentazione fieldbus I/O digitale I/O analogico XT Sensori Valvole Pompe Strumentazione convenzionale Contatti, finecorsa Relè Architettura DCS absolute automation Roma, 14 maggio,

44 Schema di collegamento dei collettori del campo solare collettore da 100 m. Stringhe da 6 collettori Linee di distribuzione. absolute automation Roma, 14 maggio,

45 Strumentazione di ogni stringa di collettori absolute automation Roma, 14 maggio,

46 Drenaggio campo solare absolute automation Roma, 14 maggio,

47 Movimentazione collettori Ogni collettore ha un proprio sistema di movimentazione Oleodinamico Gestisce autonomamente il funzionamento nei vari stati operativi (Posizionamento in sicurezza, Inseguimento a bassa velocità del vento, Inseguimento ad alta velocità del vento, Stand- by etc.) secondo le indicazioni che provengono dal Supervisore di Impianto Collegato in Profibus Riceve il comando di stato e il valore di angolo da assumere (precisione 8 mrad) L angolo è calcolato a livello centrale tramite algoritmo astronomico; ogni collettore ha un proprio encoder assoluto absolute automation Roma, 14 maggio,

48 Schema riscaldamento addizionale campo solare absolute automation Roma, 14 maggio,

49 Schema del pompaggio CIRCUITO DEL GENERATORE DI VAPORE CIRCUITO DEL CAMPO SOLARE absolute automation Roma, 14 maggio,

50 Modalità operative di impianto absolute automation Roma, 14 maggio,

51 Modalità operative di impianto Modalità Produzione Modalità Ricircolo absolute automation Roma, 14 maggio,

52 Controllo di temperatura Temperatura immissione al serbatoio caldo: 550 C Irraggiamento è variabile è necessario variare la portata del sale con modalità controllate in retroazione Set-point di temperatura programmato a livello centrale in relazione alle condiz. meteo 300 C in condizioni non adatte alla produzione (di notte o per basso irraggiamento) 550 C in condizioni adatte alla produzione absolute automation Roma, 14 maggio,

53 Controllo di temperatura Margini di temperatura limitati Dinamica di impianto lenta (10 40 min. di tempo di transito) Il tempo di transito aumenta al diminuire della portata (e quindi dell irraggiamento) Possibili perturbazioni della radiazione per nuvolosità variabile Possibilità di temperature non bilanciate fra le stringhe absolute automation Roma, 14 maggio,

54 ESEMPIO CONDIZIONI IDEALI absolute automation Roma, 14 maggio,

55 ESEMPIO CONDIZIONI PERTURBATE INVERNALI absolute automation Roma, 14 maggio,

56 Margini di temperatura Temperatura ingresso serbatoio caldo: 550 C Questo valore è molto prossimo ai limiti operativi del sale e del tubo ricevitore (580 C 600 C); infatti il flusso termico solare produce un incremento di temperatura dell ordine di C a livello della superficie esterna del tubo ricevitore Simulazione della distribuzione della temperatura Sale Tubo ricevitore Allo stesso tempo, la temperatura notturna non deve scendere sotto i C per evitare possibili congelamenti absolute automation Roma, 14 maggio,

57 Controllo di temperatura Defocalizzazione parziale o totale dei collettori (in caso di sovratemperatura) Equalizzazione temperature tramite valvole Variazione portata tramite pompa a velocità variabile absolute automation Roma, 14 maggio,

58 Schema controllo di temperatura absolute automation Roma, 14 maggio,

59 Strumenti di analisi modello SIMS (C. Manfredi) absolute automation Roma, 14 maggio,

60 R&S su Controllo adattativo - G. Pin Università di Trieste Controllo basato su un algoritmo Adattativo MPC (Model Predictive Control) CONTROLLORE basato su un modello lagrangiano del processo a passo variabile STIMATORE dello stato basato su filtro di Kalman (UKF) con modello euleriano bilineare : stima on-line dei parametri ottici e di perdita absolute automation Roma, 14 maggio,

61 Schema Simulink del controllore + stringa Controllore 6 modelli SIMS di collettore SIMULINK implementation Stimatore absolute automation Roma, 14 maggio,

62 Test simulato algoritmo Wartic-B absolute automation Roma, 14 maggio,

63 Portata massica richiesta absolute automation Roma, 14 maggio,

64 Test simulato algoritmo Wartic-B grafico 3-D delle temperature lungo il collettore Fuori fuoco programmato absolute automation Roma, 14 maggio,

65 Test simulato algoritmo Wartic-B 3-D graph of temperatures along the collector Fuori fuoco non programmato Stima parametro ottico γ di ogni collettore absolute automation Roma, 14 maggio,