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Tecnologie Innovative

Solare termodinamico

Sistemi a collettori parabolici lineari, a torre centrale, dish-stirling

Nella categoria del "solare termodinamico" rientrano una serie di soluzioni tecnologiche che sfruttano la radiazione solare per produrre energia elettrica.

A differenza del solare fotovoltaico, che trasforma direttamente la radiazione solare in energia elettrica, nel caso del termodinamico la radiazione viene concentrata e utilizzata per riscaldare un fluido termovettore (olio minerale, sali fusi, gas, ecc.), che a sua volta produce energia meccanica, solitamente tramite turbine, e quindi energia elettrica.   

Le prime vere sperimentazioni sul solare termodinamico hanno avuto inizio a partire dagli anni 70 del secolo scorso. A partire dal 1981, nel deserto californiano del Mojave sono stati realizzati diversi impianti commerciali, per un totale installato di 354 MW elettrici.

Le tre principali tecnologie solari termiche per la produzione di elettricità sono:

• Sistemi a collettori parabolici lineari

• Sistemi a torre centrale

• Sistemi dish-stirling

Tra queste opzioni tecnologiche del solare termodinamico, i sistemi a collettori parabolici lineari sono quelli con la maggiore maturità commerciale.

Sistemi a collettori parabolici lineari

Si tratta di impianti formati da lunghe file di collettori riflettenti di forma parabolica. I collettori riflettono la luce del sole, concentrandola su un tubo ricevitore in vetro e acciaio, all'interno del quale scorre un fluido termovettore (olio minerale o sali fusi).

Al di là delle diverse soluzioni tecniche, si possono individuare le principali fasi di funzionamento di un impianto solare termodinamico a collettori parabolici lineari:

• la radiazione solare viene riflessa dai collettori e concentrata sul tubo ricevitore

• il fluido termovettore all’interno del tubo ricevitore si scalda, convertendo così la radiazione solare in energia termica
 
• l’energia termica viene trasportata ed eventualmente accumulata
 
• l’energia termica, trasformata in vapore mediante uno scambiatore di calore, viene utilizzata per alimentare un ciclo a vapore per la produzione di energia elettrica

Il fluido termovettore è normalmente un olio minerale, che si scalda fino a raggiungere temperature vicine ai 400 °C.

Negli impianti in ogni caso può essere presente un sistema ausiliario integrativo, per dare continuità alla produzione di energia anche in caso di scarsità o assenza prolungata di radiazione solare.

Si tratta di impianti che possono raggiungere notevoli potenze elettriche, da 30 fino anche a 80 MW.

Una variante della tecnologia a collettori parabolici lineari è quella dei concentratori lineari Fresnel, ad oggi ancora in fase di sperimentazione. Diversamente dai collettori parabolici lineari, il movimento riguarda solo il concentratore mentre il tubo ricevitore è fisso. Con il ricevitore fisso, si può evitare la realizzazione di sistemi flessibili per il collegamento tra i singoli collettori e tra questi e le tubazioni della rete di distribuzione. 

Il programma ENEA per il solare termodinamico

A partire dal 2001, l'ENEA ha avviato un ambizioso programma di ricerca, mirato a introdurre diverse innovazioni nella tecnologia a collettori parabolici lineari.

Rispetto alla tecnologia convenzionale, le novità sperimentate dall'ENEA riguardano:

• l'utilizzo di una miscela di sali fusi come fluido termovettore

Si tratta dell'aspetto tecnico più rivoluzionario. Attualmente, gli impianti utilizzano come fluido termovettore un olio minerale che raggiunge temperature non superiori ai 390 °C. Questo fluido presenta diversi svantaggi, in termini di costi, di rischi di infiammabilità e di impatto ambientale. I sali fusi, invece, hanno il vantaggio di lavorarare ad altissime temperature, comprese tra 290 e 550 °C, senza rischi per l'ambiente e con costi ridottissimi.

• l'utilizzo di un sistema di accumulo molto efficiente 

Accumulare il calore prodotto è indispensabile per assicurare continuità nell'erogazione di energia, di notte e in caso di prolungata scarsità di radiazione solare. L’Enea ha sviluppato un sistema di accumulo particolarmente efficiente, che nel corso di 24 ore giorno disperde appena l’1% dell’energia termica accumulata. Grazie alle alte temperature raggiungibili con i sali fusi, si è calcolato che bastano 5 m³ di sali fusi per accumulare una quantità di calore sufficiente a produrre un MWh di energia elettrica. 

• l'utilizzo di un nuovo collettore solare

L'Enea ha sviluppato dei pannelli riflettenti di grandi dimensioni, facili da assemblare e caratterizzati da elevate prestazioni ottiche.

• l'utilizzo di un nuovo tubo ricevitore

L'Enea ha sviluppato un particolare rivestimento selettivo, applicato sulla parte esterna del tubo ricevitore, indispensabile per raggiungere le alte temperature di esercizio (fino a 550 °C) con i sali fusi. 

La ricerca dell'Enea dovrebbe concretizzarsi con l'entrata in funzione, nel 2010, della centrale "Archimede" di Priolo Gargallo, in Sicilia. La centrale ha una potenza elettrica nominale di 5 MW ed è integrata nella centrale termoelettrica ENEL a ciclo combinato di Priolo Gargallo, con cui ha in comune le turbine a vapore e il ciclo termico, oltre alla sala controllo e ai servizi di stabilimento.


(fonte: Enea)

Il principale vantaggio di questo tipo di impianti, di cui Archimede rappresenterebbe il primo esempio a livello mondiale, consiste nella possibilità di utilizzare le infrastrutture e le installazioni proprie della centrale convenzionale esistente. In questo modo, la gran parte dell'investimento può essere concentrata sui componenti dell'impianto solare, limitando al massimo le spese per gli interventi infrastrutturali.

Sistemi a torre centrale

Nei sistemi a torre centrale, si utilizzano centinaia di grandi specchi riflettenti (i cosiddetti "eliostati"), che seguono il movimento del sole e concentrano la luce solare su un ricevitore posto sulla sommità di una torre, a decine o anche centinaia di metri di altezza. Gli eliostati, di grandi dimensioni (oltre 100 m²), sono disposti a cerchio o a emiciclo intorno alla torre.

All'interno del ricevitore, che è una sorta di grande caldaia, un fluido termovettore (aria, acqua o sali fusi) viene portato ad altissime temperature, producendo così il vapore necessario ad alimentare una turbina per la produzione di energia elettrica.

Nel corso dei primi anni 80, venne realizzato nel deserto californiano il primo impianto dimostrativo a torre centrale: il Solar One, con una potenza elettrica di 10 MW. Nel 1995, l'impianto Solar One venne ripensato e modificato in molti aspetti, prendendo il nome di Solar Two e rimanendo in attività fino al 1999.

È proprio sulla scia di questi primi incoraggianti esperimenti, che ora in molte parti del mondo (Spagna, Stati Uniti, ecc.) sono stati realizzati diversi impianti.

Sistemi dish-stirling

Si tratta di sistemi formati da un grande paraboloide riflettente, che insegue il movimento del sole e concentra la radiazione su un ricevitore montato sul punto focale. Il ricevitore consiste in un particolare motore a combustione esterna: il motore stirling.

Il motore stirling ha la caratteristica unica di funzionare con qualsiasi fonte di calore, grazie all’utilizzo di gas a ciclo chiuso, che non scambiano con l’esterno. Il motore stirling trasforma l’energia termica in energia meccanica, con il movimento dei pistoni, e quindi in energia elettrica mediante un alternatore. I principali benefici dei motori stirling consistono nell’assenza di emissioni e nel funzionamento silenzioso.

I sistemi dish-stirling sono particolarmente efficienti, poiché hanno un fattore di concentrazione superiore a qualsiasi altra tecnologia solare e pari a oltre 2.000 soli. Questo significa che, sul punto focale, viene concentrata una quantità di radiazione solare pari a quella emessa da 2.000 soli.

A titolo indicativo, su un disco di 10 m² di diametro può essere installato un motore stirling con potenza elettrica di circa 25 kW. Per motivi di tipo economico, normalmente le dimensioni e le potenze installate non sono superiori a queste cifre.

Quindi, a differenza dei sistemi a torre e di quelli a collettori parabolici, i sistemi dish-stirling sono ideali per la produzione decentrata di energia, anche per l’alimentazione di utenze isolate dalla rete elettrica. Possono in ogni caso essere installati in serie, raggiungendo così notevoli potenze elettriche.

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