LA TECNOLOGIA SOLARE LA TECNOLOGIA SOLARE A CONCENTRAZIONE A CONCENTRAZIONE
E LE INNOVAZIONI ENEAE LE INNOVAZIONI ENEA
Grande Progetto Solare Termodinamico
Ing.Ing. Domenico MazzeiDomenico Mazzei
“I giovedì della cultura scientifica” 12 giugno 2003
Grande Progetto Solare Termodinamico
Obiettivo:Obiettivo:
Utilizzo dell’energia solare come sorgente di calore ad Utilizzo dell’energia solare come sorgente di calore ad alta temperatura:alta temperatura:
produzione di energia elettricaproduzione di energia elettrica
produzione di idrogenoproduzione di idrogeno
Grande Progetto Solare Termodinamico
Concentrazione dell’energia solareConcentrazione dell’energia solare
Per raggiungere livelli di temperatura confrontabili con quelli Per raggiungere livelli di temperatura confrontabili con quelli ottenuti con le ottenuti con le fonti di energia tradizionali (400fonti di energia tradizionali (400--600°C), è necessario concentrare l’energia 600°C), è necessario concentrare l’energia solare.solare.
Grande Progetto Solare Termodinamico
Tecnologie attualmente disponibili:Tecnologie attualmente disponibili:
•• Collettori parabolici lineari:Collettori parabolici lineari: “Parabolic TroughParabolic Trough”
•• Torre solare:Torre solare: “Power TowerPower Tower”
•• Dischi parabolici:Dischi parabolici: “Parabolic Parabolic DishDish”
Power TowerParabolic Trough Parabolic Dish
Solare termico a concentrazioneSolare termico a concentrazione
Grande Progetto Solare Termodinamico
Dischi paraboliciDischi parabolici
Alta efficienza, modularità, basse potenze (25 kW)
Produzione distribuita.
Tipologie dischi parabolici
Collettori parabolici lineariCollettori parabolici lineari
E’ la tecnologia maggiormente matura per la produzione elettricaE’ la tecnologia maggiormente matura per la produzione elettrica su su grande scala.grande scala.
Negli USA (California) sono attualmente in esercizio 9 impianti Negli USA (California) sono attualmente in esercizio 9 impianti (da 14, (da 14, 30 e 80 MW) per una potenza elettrica installata di 354 MW.30 e 80 MW) per una potenza elettrica installata di 354 MW.
ImpiantoImpianto di Kramer Junctiondi Kramer Junction
Grande Progetto Solare Termodinamico
Collettori parabolici lineari: Collettori parabolici lineari: il funzionamentoil funzionamento
Grande Progetto Solare Termodinamico
Fluido freddo
Fluido caldo
Sistema diproduzione elettrica
Generatoredi vapore
290°C390°C
Grande Progetto Solare Termodinamico
Gli svantaggi:Gli svantaggi:
•• Dipendenza della produzione di energia elettrica dalla Dipendenza della produzione di energia elettrica dalla intermittenza e variabilità della fonte solare, che costringe intermittenza e variabilità della fonte solare, che costringe all’utilizzo di combustibili fossili per integrare la produzioneall’utilizzo di combustibili fossili per integrare la produzionetermica;termica;
•• Bassa efficienza di conversione, dovuta alla limitata efficienzaBassa efficienza di conversione, dovuta alla limitata efficienza di di raccolta dell’energia solare e alla bassa temperatura di lavoro raccolta dell’energia solare e alla bassa temperatura di lavoro del del fluido (< 400°C);fluido (< 400°C);
•• Alta pericolosità del fluido di lavoro: tossicità e infiammabiliAlta pericolosità del fluido di lavoro: tossicità e infiammabilità.tà.
Collettori parabolici lineariCollettori parabolici lineari
L’impianto di L’impianto di KramerKramer JunctionJunction (USA)(USA)
Grande Progetto Solare Termodinamico
Grande Progetto Solare Termodinamico
Torre solareTorre 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.
ImpiantoImpianto SOLAR TWOSOLAR TWO
Grande Progetto Solare Termodinamico
Torre solare: il funzionamentoTorre solare: il funzionamento
Fluido freddo
Fluido caldo
Sistema diproduzione elettrica
Generatoredi vapore
290°C565°C
Serbatoi diaccumulo
Grande Progetto Solare Termodinamico
Gli svantaggiGli svantaggi
•• Dimensioni eccessive della torre (l’altezza dipende dall’estensiDimensioni eccessive della torre (l’altezza dipende dall’estensione one del campo specchi che è proporzionale alla potenza dell’impiantodel campo specchi che è proporzionale alla potenza dell’impianto))
•• Difficoltà nella concentrazione della radiazione solare sul Difficoltà nella concentrazione della radiazione solare sul ricevitore posto a centinaia di metri di distanza ricevitore posto a centinaia di metri di distanza
Torre solareTorre solare
I vantaggiI vantaggi
•• Accumulo termico: indipendenza della produzione dalla variabilitAccumulo termico: indipendenza della produzione dalla variabilità à della fonte solare, alti fattori di carico dell’impianto; della fonte solare, alti fattori di carico dell’impianto;
•• Alte temperature del fluido: alti rendimenti di conversione;Alte temperature del fluido: alti rendimenti di conversione;
La tecnologia ENEALa tecnologia ENEA
Grande Progetto Solare Termodinamico
•• Utilizzo geometria parabolica lineare Utilizzo geometria parabolica lineare •• Nuovo tubo ricevitore per operare ad alta temperatura (550°C)Nuovo tubo ricevitore per operare ad alta temperatura (550°C)•• Sali fusi (KNOSali fusi (KNO33 -- NaNONaNO33) come fluido termico (torri)) come fluido termico (torri)•• Presenza di accumulo termico (torri)Presenza di accumulo termico (torri)
Combina alcune caratteristiche dei sistemi a collettori paraboliCombina alcune caratteristiche dei sistemi a collettori parabolici lineari ci lineari e di quelli a torre e prevede una serie di profonde innovazioni e di quelli a torre e prevede una serie di profonde innovazioni tecnologiche che permettono di superare i punti critici di entratecnologiche che permettono di superare i punti critici di entrambembe
La tecnologia ENEA: La tecnologia ENEA: il funzionamentoil funzionamento
Grande Progetto Solare Termodinamico
La tecnologia ENEA: La tecnologia ENEA: le innovazionile innovazioni
Grande Progetto Solare Termodinamico
Fluido freddo
Fluido caldo
Sistema diproduzione elettrica
Generatoredi vapore
290°C
550°C
Serbatoi diaccumulo
Collettore solare
Tubo ricevitore
Accumulo termico
Fluido termovettore
Collettore solare: Collettore solare: riflettore parabolicoriflettore parabolico
impiego di specchi sottili sostenuti da una struttura a nido d’ape (honeycomb)
Vista laterale del collettore solare Vista laterale del collettore solare
Total aper ture = 5.76 m
Honeycomb& mir ror
Collector Tube@ focal point
Main suppo rting tubeand rotation mechanis m
Pillar
Mirror suppor ting fins
Basement
1 mscale
Foca
llen
gth
=1.
81m
Max
tube
heig
ht=
5.38
m
4.83
m
3.50
m
0.5
m
Grande Progetto Solare Termodinamico
CoreSkin
Collettore solare: Collettore solare: struttura di supportostruttura di supporto
Grande Progetto Solare Termodinamico
SoluzioneSoluzione attualeattuale SoluzioneSoluzione ENEAENEA
Collettore solare: Collettore solare: ricevitorericevitore1. Glass to metal connection2. Glass envelope (BoSi)3. Anti reflection coating: 97%
transmission of solar radiation (AMS 1.5)4. Barium getters - vacuum indicators5. Getters for vacuum stability6. Stainless steel tube7. Expansion Compensating Bellows8. Evacuated space9. Solar coating (CERMET):
Absorbance (AMS 1.5) - 97%Emissivity - 0.08 at 400°c
Grande Progetto Solare Termodinamico
Ricevitore SOLEL
Prototipo ENEA
Tubo ricevitore:Tubo ricevitore: nuovo rivestimento selettivonuovo rivestimento selettivo
SiO 70nm
Mo 100 nm
CERMET2Mo-Frazione Mo=0.2
Stratificazionecoating selettivo
4060 mm
De = 70 mmDi = 64 mmAISI 316L
SiO 75nm
CERMET1Mo-Frazione Mo=0.5
SiO 75nm
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
20
40
60
80
100
0.1 1 10 100
IRR
ADIA
NC
E (W
m-2
µm
-1)
REF
LEC
TAN
CE
(%)
WAVELENGTH ( µm)
solar spectrumdirect AM 1.5
black body 580 °C
Coating C
Coating D
Ideal coatingcut-off at 1.74 µm
Grande Progetto Solare Termodinamico
Fluido Fluido termovettoretermovettore
Impianti in esercizioImpianti in esercizio: olio minerale con media temperatura di olio minerale con media temperatura di esercizio (290 esercizio (290 --390°C). 390°C). Alti costi, alto impatto ambientaleAlti costi, alto impatto ambientale, e facilmente , e facilmente infiammabile. infiammabile. Non idoneo per realizzare sistemi di Non idoneo per realizzare sistemi di accumulo di energia termica; sono quindi accumulo di energia termica; sono quindi necessari sistemi di integrazione a gas con emissioni necessari sistemi di integrazione a gas con emissioni di inquinanti.di inquinanti.
Progetto ENEAProgetto ENEA: miscela di sali (KNOmiscela di sali (KNO33 -- NaNONaNO33) con alta ) con alta temperatura di esercizio (290 temperatura di esercizio (290 --550°C). 550°C). Bassi costi e alta compatibilitàBassi costi e alta compatibilità ambientale ambientale (prodotto utilizzato in agricoltura come (prodotto utilizzato in agricoltura come fertilizzante). fertilizzante). Idoneo per realizzare sistemi di accumulo di Idoneo per realizzare sistemi di accumulo di energia termica.energia termica.
Grande Progetto Solare Termodinamico
Accumulo termicoAccumulo termico
Serbatoi impianto SOLAR TWO
Schema serbatoio caldo
•• Trasforma l’energia solare, per sua natura altamente variabile, Trasforma l’energia solare, per sua natura altamente variabile, in una in una sorgente di energia disponibile con continuità. sorgente di energia disponibile con continuità.
•• Disaccoppia la raccolta dell’energia termica dalla produzione diDisaccoppia la raccolta dell’energia termica dalla produzione di elettricità, elettricità, estende il funzionamento dell’impianto anche in assenza di sole.estende il funzionamento dell’impianto anche in assenza di sole.
•• Sono necessari circa 5 mSono necessari circa 5 m33/MWh/MWh
Grande Progetto Solare Termodinamico
Accumulo termico:Accumulo termico: il funzionamentoil funzionamento
Grande Progetto Solare Termodinamico
Power distribution before storage
0
200
400
600
800
1000
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Sola
r den
sity
, W
/m2
Energy accumulated in hot storage
0
1000
2000
3000
4000
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Sto
red
ener
gy,
MW
h
Hot tank full
Orientation N-S
Power delivery after storage
0204060
80100120
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Time [ day ]
Deliv
ered
pow
er, M
W
Failures to supply averaged power Time averaged, expected delivery
La tecnologia ENEALa tecnologia ENEA
Grande Progetto Solare Termodinamico
Se sviluppata su larga scala, è in grado di produrre calore ad aSe sviluppata su larga scala, è in grado di produrre calore ad alta lta temperatura utilizzabile in varie applicazioni industriali, in ptemperatura utilizzabile in varie applicazioni industriali, in particolare articolare per la produzione di energia elettrica, ad un costo competitivo per la produzione di energia elettrica, ad un costo competitivo con con quello relativo all’utilizzo dei combustibili fossili e senza emquello relativo all’utilizzo dei combustibili fossili e senza emissioni issioni inquinanti. inquinanti.
Sono state fatte delle valutazioni per impianti dimostrativi di Sono state fatte delle valutazioni per impianti dimostrativi di piccola piccola taglia ( 4 e 12 MW) e per il prototipo da 40 MW.taglia ( 4 e 12 MW) e per il prototipo da 40 MW.
1680 m
720
mHeaders
Module 2(198 collectors)
Module 1(198 collectors)
Module 3(420 collectors)
Sec
onda
ry li
ne
Pow
er B
lock
Grande Progetto Solare Termodinamico
Impianto da 40 MWImpianto da 40 MW
CaratteristicheCaratteristiche
•• Potenza elettrica: 40 MWePotenza elettrica: 40 MWe•• Numero di collettori solari: 816 Numero di collettori solari: 816 (136 stringhe da 6 collettori)(136 stringhe da 6 collettori)
•• Superficie occupata:Superficie occupata:•• collettori: 50 hacollettori: 50 ha•• totale: 100totale: 100--110 ha110 ha
Grande Progetto Solare Termodinamico
Impianto da 40 MW: Impianto da 40 MW: bilanci di energiabilanci di energia
816 collettori
Energia termicaGWh Dimensione accumulo 1.200 MWh
Energia elettrica
426,5 407,8 364,8 148,6666,7% 63,8% 57,1% 23,2%
639,4 141,23Energia sol.
18,7 7,434,4% 43 5,0%
Perdite 10,5% AusiliariMancato accumulo
Rendimento netto sol. -> el. 0,221
Risparmio di energia primaria 31.917 TEP Consumo specifico medio 2.260 kcal/kWh Dato Autority Energia
Emissione CO 2 evitata 99.141 ton Emissione specifica 702 g/kWh Dato ENEL 2000
Campo solare Accumulo Produzione elettrica
Grande Progetto Solare Termodinamico
Impianto da 40 MW:Impianto da 40 MW: costi di impianto (816 collettori, accumulo 1200 MWh)costi di impianto (816 collettori, accumulo 1200 MWh)
VOCE DI COSTO Importo unitario
Unità di costo
Costo impianto ( 103 € )
Captazione 97,2 € / m2 43.858
Accumulo termico 8,7 € / kWht 10.440
Generatore vapore 124 € / kWe 4.960
Convenzionale 650,7 € / kWe 26.028
Sistemazione sito 74 € / kWe 2.976
Proget. e dir. lavori 146 € / kWe 5.833
Costi residui 238 € / kWe 9.509
Cos
ti
acc
esso
ri
Acquisto terreno 0,77 € / m2 724
TOTALE 2.608 € / kWe 104.328
24,9%
4,8%
10,0%
42,0%
0,7%
2,9%5,6%
9,1%
ConvenzionaleGeneratore di vaporeAccumulo termicoCaptazioneAcquisto terrenoSistemazione sitoProget. e dir. lavoriCosti residui
ConclusioniConclusioni
•• Si tratta di una tecnologia matura dal punto di vista industrialSi tratta di una tecnologia matura dal punto di vista industriale ma e ma non ancora competitiva commercialmente con gli impianti non ancora competitiva commercialmente con gli impianti termoelettrici convenzionali;termoelettrici convenzionali;
•• Per la competitività commerciale la tecnologia deve essere Per la competitività commerciale la tecnologia deve essere incentivata con contributi a fondo perduto per abbattere gli attincentivata con contributi a fondo perduto per abbattere gli attuali uali costi di impianto.costi di impianto.
•• Considerati i più elevati costi di esercizio e manutenzione sareConsiderati i più elevati costi di esercizio e manutenzione sarebbe bbe opportuno aumentare il periodo di emissione dei certificati verdopportuno aumentare il periodo di emissione dei certificati verdi, in i, in quanto questa tecnologia consente un risparmio di fonti primariequanto questa tecnologia consente un risparmio di fonti primarieimportate ed evita emissioni di inquinanti.importate ed evita emissioni di inquinanti.
Grande Progetto Solare Termodinamico