LA TECNOLOGIA SOLARE A CONCENTRAZIONE E LE …eboals.bologna.enea.it/matform/Solterm/Tecnosolare.pdf · Concentrazione dell’energia solare Per raggiungere livelli di temperatura

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


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


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.


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


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


Collettori parabolici lineari: Collettori parabolici lineari: il funzionamentoil funzionamento


Fluido freddo

Fluido caldo

Sistema diproduzione elettrica

Generatoredi vapore

290°C390°C


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)



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


Torre solare: il funzionamentoTorre solare: il funzionamento

Fluido freddo

Fluido caldo


Generatoredi vapore

290°C565°C

Serbatoi diaccumulo


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


•• 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


La tecnologia ENEA: La tecnologia ENEA: le innovazionile innovazioni


Fluido freddo

Fluido caldo


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


CoreSkin

Collettore solare: Collettore solare: struttura di supportostruttura di supporto


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


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


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.


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


Accumulo termico:Accumulo termico: il funzionamentoil funzionamento


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


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)



Sec

onda

ry li

ne

Pow

er B

lock


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


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


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.


Documents

LA TECNOLOGIA SOLARE A CONCENTRAZIONE E LE …eboals.bologna.enea.it/matform/Solterm/Tecnosolare.pdf · Concentrazione dell’energia solare Per raggiungere livelli di temperatura