ENEA ALL'AVANGUARDIA SUL SOLARE TERMODINAMICO

di: DOTT. GIUSEPPE COTELLESSA

L'applicazione del procedimento fisico-matematico della mia invenzione potrebbe dare un contributo significativo per l'ottimizzazione ed il buon funzionamento dei sistemi molto complessi, come la gestione di una centrale solare termodinamico e di un sistema termodinamico.

Solare termodinamico

Nell’ambito della tipologia dei collettori parabolici lineari, l’ENEA ha sviluppato una filiera tecnologica innovativa basata sull’uso di una miscela di sali fusi con funzione sia di trasporto del calore, sia di accumulo termico. Questa soluzione tecnologica consente di incrementare la temperatura di funzionamento rispetto all’utilizzo di olio termico e comporta significativi vantaggi sulla funzionalità, economia, sicurezza e compatibilità ambientale dell’impianto. Altri importanti vantaggi derivano dalla possibilità di integrare questo tipo di impiantosolare con centrali termoelettriche convenzionali e di accumulare in modo efficiente l’energia termica, aumentando la “dispacciabilità” dell’energia elettrica prodotta a fronte dell’aleatorietà della fonte solare.
Il primo impianto industriale basato sulla tecnologia solare ENEA è stato realizzato dall’ENEL presso la centrale di Priolo Gargallo (SR) - Progetto Archimede – attualmente in fase di dimostrazione.
Sulla base dell’esperienza e delle competenze maturate in questo progetto, l’ENEA rappresenta attualmente il punto di riferimento tecnologico nazionale per la tecnologia solare termodinamica, detiene numerosi brevetti e competenze esclusive ed è impegnata, in collaborazione con diverse aziende industriali, in varie iniziative nazionali e internazionali per il miglioramento e la diffusione di questa tecnologia. Le attività svolte dall’ENEAin questo settore riguardano:

1. progettazione, realizzazione e dimostrazione di impianti solari per la produzione di energia elettrica, per cogenerazione o per dissalazione dell’acqua, anche integrati con altre fonti rinnovabili o fossili;
2. progettazione, realizzazione prototipale, sperimentazione, ingegnerizzazione e qualificazione di componenti innovativi per impianti solari, in particolare tubi ricevitori, collettori solari (struttura di supporto, pannelli riflettenti e sistema di puntamento) e componenti del circuito a sali fusi (giunti flessibili, riscaldatori ausiliari, strumentazione speciale);
3. sviluppo di nuove applicazioni della tecnologia solare termodinamica, tra cui la produzione di idrogeno attraverso processi termochimici e l’utilizzazione industriale dell’energia termica ad alta temperatura da fonte solare.

Per lo svolgimento di queste attività l’ENEA si avvale di circa 70 ricercatori e tecnici, di infrastrutture sperimentali specifiche (impianti e laboratori) presso i propri centri della Casaccia e di Portici, di una rete di collaborazioni industriali di oltre 30 aziende italiane e di accordi con diversi Paesi interessati alla realizzazione di impianti, tra cui Egitto, Libia e Cina.
In ingegneria energetica un impianto solare termodinamico, anche noto come impianto solare a concentrazione, è una tipologia di impianto elettrico che sfrutta, come fonte energetica primaria, la componentetermica dell'energia solare, attraverso tecniche di concentrazione solare e relativo accumulo, per la produzione di energia elettrica.
Deve il suo nome al fatto che, oltre alla captazione di energia termica solare a partire dalla radiazione solare incidente già presente nei comuni impianti solari termici, aggiunge un ciclo termodinamico (Ciclo Rankine) per la trasformazione dell'energia termica accumulata in energia elettrica tramite turbina a vapore e alternatore come avviene nelle comuni centrali termoelettriche.

Caratteristiche

A differenza dei comuni pannelli solari termici per la generazione di acqua calda a fini domestici (con temperature inferiori a 95 °C), questa tipologia di impianto genera medie ed alte temperature (600 °C e oltre) permettendone l'uso in applicazioni industriali come la generazione di elettricità e/o come calore per processi industriali (cogenerazione).

La grande rivoluzione rispetto alle altre tecnologie solari (solare termico e fotovoltaico) è però la possibilità di produzione di elettricità anche in periodi di assenza della fonte energetica primaria durante la notte o con cielo coperto da nuvolosità grazie alla possibilità di accumulo del calore in appositi serbatoi, ponendo almeno parziale rimedio ai limiti fisici di continuità/intermittenza imposti da tale tipo di fonte energetica.
Si tratta dunque di una tecnologia energetica alternativa e rinnovabile rispetto a quelle tradizionali basate su combustibili fossili e nucleari, il cui principio di funzionamento ha lontane origini storiche essendo fatta risalire a più di 2 millenni fa all'idea di Archimede sugli specchi ustori.

Tipi di impianto e funzionamento

Impianto a collettori parabolici lineari

Questo tipo di impianto è formato da specchi parabolici - che ruotano su un solo asse - che riflettono e concentrano la luce diretta del sole su un tubo ricevitore posto nel fuoco del paraboloide.

Dentro il tubo scorre un fluido (detto fluido termovettore perché adatto ad immagazzinare e trasportare calore), che assorbe l'energia e la trasporta in un serbatoio di accumulo, necessario se si vuole supplire ai momenti di scarsa o nulla insolazione (come la notte). Per esempio nella centrale sperimentale Archimede di Priolo l'accumulo termico è sufficiente per coprire la produzione elettrica per 8 ore in assenza di sole.
L'accumulo è in contatto termico con uno scambiatore di calore, che attraverso una caldaia genera vapore; questo viene utilizzato per muovere delle turbine collegate a loro volta a degli alternatori (il complesso turbina-alternatore è detto anche turboalternatore) per produrre così corrente elettrica.
Il fluido termovettore può essere olio diatermico (centrali di 1ª generazione) oppure, secondo gli sviluppi di questi ultimi anni, una miscela di sali che fondono alle temperature di esercizio della centrale e per questo dettisali fusi (centrali di 2ª generazione).
La temperatura più alta raggiunta dai sali fusi (anche fino a 550 °C) rispetto all'olio diatermico consente una migliore resa energetica finale grazie alla possibilità di accoppiamento con centrali a recupero di calore dai fumi di scarico, più efficienti delle centrali standard e che lavorano a temperature più alte.
Con l'utilizzo di miscele a sali fusi è possibile inoltre migliorare la capacità di accumulo termico dell'impianto, prolungandone la produttività anche fino ad alcuni giorni senza esposizione al sole.
Una volta "catturata" l'energia del Sole (sorgente) il processo di produzione ovvero conversione in energia elettrica è quindi del tutto analogo a quanto avviene in una comune centrale termoelettrica.
In generale si possono definire un'efficienza di captazione del calore da parte degli specchi rispetto all'energia solare totale incidente (1°conversione), un'efficienza nel trasporto del calore nel tubo centrale, un'efficienza nell'accumulo di calore nel serbatoio di accumulo, un'efficienza di conversione del calore accumulato in energia elettrica (2° conversione) (sempre minori dell'unità per via di inevitabili perdite) e un'efficienza totale del totale rispetto alla fonte primaria di energia che si ottiene come prodotto delle varie efficienze precedenti.
Gli specchi concentratori sono completamente automatizzati in modo da inseguire costantemente il Sole nel suo moto apparente in cielo (sono detti per questo eliostati), massimizzando così la resa di captazione solare durante l'intero arco della giornata. In caso di forte vento è previsto l'abbassamento verso terra degli specchi in modo da evitare rotture, posizione utilizzata anche per pulire gli specchi.

Impianto a torre centrale

Esistono anche centrali solari con un sistema di specchi riflettenti indipendenti che inseguono il sole e concentrano i suoi raggi su un ricevitore fisso posto alla sommità di una struttura a torre posta al centro dell'impianto. In questo caso si parla di impianto a torre centrale o centrale solare a torre. Nel ricevitore al vertice della torre scorre il fluido termovettore che trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.

Vantaggi e svantaggi

Nel 2008, il fisico italiano Rubbia ha stimato che un ipotetico quadrato di specchi di 40 000 km² (200 km per ogni lato) basterebbe per sostituire tutta l'energia derivata dal petrolio prodotta oggi nel mondo, mentre per alimentare un terzo dell'Italia bastava un'area equivalente (alla potenza) di 15 centrali nucleari: vasta, in pratica, quanto all'area circoscritta dal Grande Raccordo Anulare.

Il vantaggio riscontrabile nell'immediato rispetto ad un tradizionale impianto fotovoltaico consiste in una produzione di energia più uniforme nel tempo causa lo sfruttamento indiretto dell'energia solare anche di notte o in caso di cattivo tempo fino ad alcuni giorni grazie al sistema di accumulo del fluido termovettore e all'alta temperatura raggiungibile dai sali fusi (circa 550 °C).
Per far fronte ai periodi di scarso soleggiamento, specialmente nel periodo invernale e per impianti di grossa potenza, si è pensato di abbinare a questo tipo di impianti solari, dei sistemi di combustione tradizionali con cui poter mantenere la temperatura dei sali fusi oppure, come ad esempio nel caso del progetto Archimede, integrando l'impianto solare termodinamico con un impianto termoelettrico a ciclo combinato alimentato a metano. Un problema che presentano questo tipo di impianti e più in generale i sistemi energetici che sfruttano l'energia solare, sono le notevoli superfici libere da occupare in rapporto alla produzione elettrica. Ad esempio un impianto da circa 40 MW nominali di potenza elettrica in una zona con un DNI (Direct Normal Irradiance) attorno a 1800 kWh/m² anno (Sicilia), occupa circa 120 ettari di superficie.
Il problema della disponibilità dello spazio potrà essere superato costruendo gli impianti solari nel Sud Italia, che dispone di molte zone utilizzabili, come testimoniano i progetti già avviati^[2].
Seguendo questa linea si è pensato anche alla costruzione di mega centrali solari-termodinamiche nelle aree desertiche del Nord Africa, in seguito ad accordi internazionali con Libia e Marocco (Progetto Desertec), laddove la disponibilità di spazio e condizioni climatiche relative all'insolazione media annua del tutto ottimali creerebbero situazioni particolarmente favorevoli alla produzione su vasta scala di energia elettrica: sembra che tale soluzione, unita alla realizzazione di reti di distribuzione elettrica a "corrente continua" e bassa perdita, possa arrivare a soddisfare anche l'intero fabbisogno energetico europeo.
Attualmente il "costo per kilowattora" dell'energia prodotta con tale tecnologia è superiore di 5 o 6 volte a quello di altre fonti come dichiarato dall'amministratore delegato dell'ENEL Conti, tuttavia si ritiene che i costi scenderebbero inizialmente lievemente e poi forse in maniera decisa, una volta avviata una produzione di massa di questi sistemi ovvero con quella che in gergo tecnico-economico si chiama "regime di economia di scala". Essendo una tecnologia relativamente nuova ed emergente non può però vantare ancora una piena maturità a livello commerciale rispetto ad altri sistemi di produzione energetica già testati e affermati da tempo.
Un altro svantaggio è che un siffatto sistema di produzione di energia, se fortemente centralizzato, risulterebbe facilmente soggetto ad attacchi di tipo terroristico, in quanto, vista la superficie occupata, non potrebbe essere sorvegliato come accade con impianti di altro tipo. Tale obbiezione appare però piuttosto strumentale, visto che l'attuale approvvigionamento energetico si basa su un sistema di poche, grandi centrali, e quindi soggette allo stesso tipo di rischi di sabotaggio. Anzi, una centrale di questo tipo, proprio grazie alla sua struttura, sarebbe molto più veloce e più economica da riparare rispetto ad una comune centrale a turbogas.
Qualcuno ritiene che la scalabilità di tali sistemi sia scarsa, senza pensare però che in zone desertiche "aggiungere" altre file di specchi a un impianto già esistente sarebbe decisamente più economico che aggiungere un nuovo generatore a una centrale a combustibile fossile. Nonostante queste limitazioni si ritiene tuttavia che tali sistemi rappresentino comunque una svolta o un miglioramento sensibile all'interno del panorama di produzione energetico da fonte solare, la fonte primaria di energia sulla Terra.

Diffusione

Nel mondo

Questa tipologia di centrali è utilizzata da anni negli Stati Uniti. Il Solar-1 fu un progetto pilota, costruito nel deserto del Mojave, a est di Barstow in California. Solar-1 fu completato nel 1981, e fu operativo dal 1982 sino al 1986. Fu distrutto da un incendio che mandò a fuoco l'olio su cui i raggi del sole venivano concentrati. Seguì un Solar-2 sempre in California. Dal 1985, il cosiddetto SEGS è operativo in California; è costituito da 9 impianti per una capacità totale di 350 MW. Un nuovo impianto è il Nevada Solar One, con una capacità di 64 MW.

Tra il 2006 e il 2011 in Spagna sono state costruite 3 centrali di questo tipo: Andasol 1, Andasol 2 e Andasol 3, tutte con una capacità di 50 MW.

In Italia

Nel dicembre 2007, il secondo Governo Prodi ha approvato un piano industriale per costruire dieci centrali da 50 MW nel sud Italia.
Nel marzo 2008, il governo ha ricevuto il parere favorevole della Conferenza Stato-Regioni per avviare questa anche nel resto del territorio nazionale.
Nel progetto Archimede dell'ENEA, sviluppato in collaborazione con l'ENEL e fortemente sponsorizzato dal premio Nobel Carlo Rubbia, come fluido termovettore venne usato una miscela di sali fusi (60% di nitrato di sodio e 40% dinitrato di potassio) che permette un accumulo in grandi serbatoi di calore e una temperatura di esercizio molto elevata (fino a 550 °C) aumentando l'efficienza dell'impianto^. . L'uso di sali fusi come fluido di scambio termico compare anche nel progetto di nuovi sistemi che condividono la necessità di liquidi di conduzione ad alta temperatura come i reattori a fissione di IV Generazione ed i reattori nucleari a fusione.
È bene sottolineare che però questa è solo una coincidenza: l'utilizzo di sodio per il raffreddamento dei reattori a fissione, ad esempio del tipo SFR, risponde alla necessità di una moderazione più efficace dei neutroni ed evitare i rischi legati all'utilizzo dell'acqua a temperature dell'ordine del centinaio di gradi. A queste temperature infatti l'acqua si dissocia in idrogeno e ossigeno, entrambi gas con elevata attitudine esplosiva: tale dissociazione è evitabile solo mantenendo adeguatamente pressurizzata l'acqua, operazione economicamente costosa.
Nel luglio 2009 il Senato Italiano ha approvato una mozione decisamente critica riguardo al solare termodinamico, ritenuta una fonte non completamente ecologica in quanto necessita di essere combinata a fonti non rinnovabili che ne garantiscano il funzionamento anche in assenza di sole, e poco efficiente sotto diversi punti di vista anche in confronto con la nuova politica di rilancio del nucleare. Nella mozione si sottintende che il solare termodinamico abbia difficoltà a trovare siti adeguati, che abbia bisogno di una fonte d'acqua per il raffreddamento, che non debba essere troppo lontana dalla connessione alla rete, che l'efficienza energetica difficilmente potrà superare il 25%, che per funzionare senza soluzione di continuità abbia bisogno di combustibile e quindi non sarebbe ecologica, e critica l'utilizzo della componente termodinamica dal punto di vista economico perché i costi non sarebbero comprimibili, essendo una tecnologia matura, che i costi di produzione siano nell'ordine dei 6 euro a watt, che i costi sono comunque elevati poiché gli impianti sono piccoli e non beneficiano di fattori di scala, che manca un sistema industriale in Italia, che i costi per essere amortizzati in 20 anni devono essere inseriti in formule di cogenerazione con cicli combinati o impianti a carbone, che la tipologia e' complessa e quindi non alla portata di piccoli imprenditori, che i primi impianti (ndr: SEGS per 350 MW nel deserto del Mojave) non sarebbero stati persuasivi, e quindi abbandonati, che conviene puntare più sulla tecnologia fotovoltaica, del consumo di biomasse e dell'eolico.
Il 15 luglio 2010 è stata inaugurata dall'ENEL a Priolo Gargallo in provincia di Siracusa la prima centrale termodinamica italiana da 5 MW costata 60 milioni di euro (Progetto Archimede). Lo scopo principale di questo progetto è di tipo dimostrativo e vuole sottolineare la grande potenzialità del solare termodinamico applicato alle centrali a turbo gas al fine di migliorarne l'efficienza.

Sistema termodinamico

Il sistema termodinamico è un innovativo bollitore basato sul sistema di pompa di calore in grado di assorbire l'energia ambientale e solare per riscaldare l'acqua sanitaria in modo particolarmente efficiente rispetto ai sistemi abituali.

E’ un impianto ad elevata efficienza energetica in grado di lavorare tutto l'anno con o senza radiazione solare. L'energia captata viene trasmessa all'acqua attraverso uno scambiatore di calore o condensatore

Un sistema innovativo

I pannelli solari termodinamici, a differenza di quelli tradizioni, sfruttano il ciclo di funzionamento del frigorifero, ma all'inverso. In un frigorifero il pannello interno raffredda sottraendo calore che verrà dissipato dal radiatore esterno, mentre nel sistema termodinamico la parte che raffredda verrà posta all'esterno dell'edificio per assorbire sia il calore del sole che quello ambientale. il calore così acquisito verrà trasferito ad uno scambiatore riscaldando così l'acqua all'interno dell'accumilo.

La tecnologia di questi pannelli basa sul Principio di Carnot (1824) ed un brevetto francese messo a punto venti anni fa.

Il sistema è efficiente e versatile. I vantaggi sono indubbiamente legati al funzionamento estremamente semplice ed alla tipologia di pannello, molto leggero e resistente, che non richiede alcun tipo di manutenzione.
I pannelli solari termodinamici sono di facile installazione e di ridotte dimensioni: ogni pannello pesa ca. 8 kg e non necessitano di particolari opere murarie in installazione.