la tecnologia solare a concentrazione e le

Grande Progetto Solare Termodinamico
LA TECNOLOGIA SOLARE
A CONCENTRAZIONE
E LE INNOVAZIONI ENEA
Ing. Domenico Mazzei
“I giovedì della cultura scientifica” 12 giugno 2003
Grande Progetto Solare Termodinamico
Obiettivo:
Utilizzo dell’energia solare come sorgente di calore ad
alta temperatura:
ƒ
ƒ
produzione di energia elettrica
produzione di idrogeno
Grande Progetto Solare Termodinamico
Concentrazione dell’energia solare
Per raggiungere livelli di temperatura confrontabili con quelli ottenuti con le
fonti di energia tradizionali (400-600°C), è necessario concentrare l’energia
solare.
Grande Progetto Solare Termodinamico
Solare termico a concentrazione
Tecnologie attualmente disponibili:
• Collettori parabolici lineari: “Parabolic Trough”
Trough
• Torre solare: “Power Tower”
Tower
• Dischi parabolici: “Parabolic Dish”
Dish
Parabolic Trough
Power Tower
Parabolic Dish
Grande Progetto Solare Termodinamico
Dischi parabolici
Alta efficienza, modularità, basse potenze (25 kW)
Produzione distribuita.
Tipologie dischi parabolici
Grande Progetto Solare Termodinamico
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
Grande Progetto Solare Termodinamico
Collettori parabolici lineari: il funzionamento
Fluido caldo
390°C
290°C
Fluido freddo
Generatore
di vapore
Sistema di
produzione elettrica
Grande Progetto Solare Termodinamico
Collettori parabolici lineari
Gli svantaggi:
• Dipendenza
intermittenza
all’utilizzo di
termica;
della produzione
e variabilità della
combustibili fossili
di energia
fonte solare,
per integrare
elettrica dalla
che costringe
la produzione
• 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.
Grande Progetto Solare Termodinamico
L’impianto di Kramer Junction (USA)
Grande Progetto Solare Termodinamico
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
Grande Progetto Solare Termodinamico
Torre solare: il funzionamento
Fluido caldo
565°C
290°C
Serbatoi di
accumulo
Generatore
di vapore
Sistema di
produzione elettrica
Fluido freddo
Grande Progetto Solare Termodinamico
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
Grande Progetto Solare Termodinamico
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 (KNO3 - NaNO3) come fluido termico (torri)
Presenza di accumulo termico (torri)
Grande Progetto Solare Termodinamico
La tecnologia ENEA: il funzionamento
Grande Progetto Solare Termodinamico
La tecnologia ENEA: le innovazioni
Collettore
solare
Fluido
termovettore
Accumulo
termico
550°C
Tubo
ricevitore
Fluido caldo
Serbatoi di
accumulo
Fluido freddo
290°C
Generatore
di vapore
Sistema di
produzione elettrica
Grande Progetto Solare Termodinamico
Collettore solare: riflettore parabolico
Tot al aper ture = 5.76 m
Main suppo rting tube
and rotation mechanis m
Mir ror sup por ting fins
3.50 m
Core
Pillar
1m
scale
0.5 m
Skin
Basement
Vista laterale del collettore solare
Max tube height = 5.38 m
Coll ector Tube
@ focal point
Honeycom b
& mir ror
4.83 m
Focal length = 1.81 m
impiego di specchi sottili
sostenuti da una struttura a
nido d’ape (honeycomb)
Grande Progetto Solare Termodinamico
Collettore solare: struttura di supporto
Soluzione attuale
Soluzione ENEA
Grande Progetto Solare Termodinamico
Collettore solare: ricevitore
Ricevitore SOLEL
Prototipo ENEA
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 - 0.08 at 400°c
Grande Progetto Solare Termodinamico
Tubo ricevitore: nuovo rivestimento selettivo
100
7000
µm
80
IRRADIANCE (W m
CERMET2
Mo- SiO 75nm
Frazione Mo=0.2
CERMET1
Mo- SiO 75nm
Frazione M o=0.5
Stratificazione
coating selettivo
Mo 100 nm
4060 mm
D e = 70 mm
D i = 64 mm
AISI 316L
3000
2000
Coating C
solar spectrum
direct AM 1.5
black body
580 °C
40
20
1000
0
0.1
SiO 70nm
60
4000
1
10
WAVELENGTH (
0
100
µm)
REFLECTANCE (%)
Coating D
5000
-2
µm-1)
6000
Ideal coating
cut-off at 1.74
Grande Progetto Solare Termodinamico
Fluido termovettore
Impianti in esercizio:
esercizio olio minerale con media temperatura di
esercizio (290 -390°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.
Progetto ENEA:
ENEA
miscela di sali (KNO3 - NaNO3) con alta
temperatura di esercizio (290 -550°C).
Bassi costi e alta compatibilità ambientale
(prodotto utilizzato in agricoltura come
fertilizzante).
Idoneo per realizzare sistemi di accumulo di
energia termica.
Grande Progetto Solare Termodinamico
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 m3/MWh
Schema serbatoio caldo
Serbatoi impianto SOLAR TWO
Grande Progetto Solare Termodinamico
Accumulo termico: il funzionamento
Power distribution before storage
Solar density, W/m 2
1000
800
600
400
200
0
Stored energy, MWh
0
30
4000
90
120
180
210
Energy150
accumulated
in hot storage
240
270
300
330
Orientation
N-S
360
Hot tank full
3000
2000
1000
0
0
Delivered power, MW
60
30
60
90
120
120
100
150
180
210
Power delivery after storage
240
Failures to supply averaged power
80
270
300
330
360
Time averaged, expected delivery
60
40
20
0
0
30
60
90
120
150
180
Time [ day ]
210
240
270
300
330
360
Grande Progetto Solare Termodinamico
La tecnologia ENEA
Se sviluppata su larga scala, è in grado di produrre calore ad alta
temperatura utilizzabile in varie applicazioni industriali, in particolare
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.
Grande Progetto Solare Termodinamico
Impianto da 40 MW
Caratteristiche
(136 stringhe da 6 collettori)
1680 m
Module 2
(198 collectors)
Headers
Module 3
(420 collectors)
720 m
Module 1
(198 collectors)
Secondary line
Potenza elettrica: 40 MWe
Numero di collettori solari: 816
Superficie occupata:
• collettori: 50 ha
• totale: 100-110 ha
Power Block
•
•
•
Grande Progetto Solare Termodinamico
Impianto da 40 MW: bilanci di energia
816
collettori
Energia termica
GWh
Dimensione accumulo
1.200 MWh
Energia elettrica
639,4
Energia sol.
Campo solare
426,5
407,8
66,7%
63,8%
364,8
Accumulo
57,1%
148,66
Produzione
elettrica
18,7
23,2%
141,23
7,43
43
4,4%
Perdite
5,0%
Ausiliari
10,5%
Mancato accumulo
Rendimento netto sol. -> el.
0,221
Risparmio di energia primaria
31.917 TEP
Consumo specifico medio
Emissione CO 2 evitata
99.141 ton
Emissione specifica
2.260 kcal/kWh
702 g/kWh
Dato Autority Energia
Dato ENEL 2000
Grande Progetto Solare Termodinamico
Impianto da 40 MW:
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
74
€ / kWe
2.976
9,1%
5,6%
24,9%
Costi
accessori
2,9%
Sistemazione sito
0,7%
4,8%
10,0%
Proget. e dir. lavori
146
€ / kWe
5.833
Costi residui
238
€ / kWe
9.509
Acquisto terreno
0,77
€ / m2
724
2.608
€ / kWe
104.328
TOTALE
42,0%
Convenzionale
Generatore di vapore
Accumulo termico
Captazione
Acquisto terreno
Sistemazione sito
Proget. e dir. lavori
Costi residui
Grande Progetto Solare Termodinamico
Conclusioni
•
Si tratta di una tecnologia matura dal punto di vista industriale 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.