Impianti solari termodinamici
Solare a concentrazione che prende il nome di solare termodinamico quando il processo è associato ad un ciclo termodinamico, il concentratore e il ricevitore prende il nome di collettore solare. Lo schema di principio è il seguente:
Il vantaggio principale è quello di avere temperature disponibili superiori a 200 °C.
Le centrali di captazione si dividono nel seguente modo:
Centrali con collettori parabolici lineari
La maggior parte delle centrali gestite attualmente presentano due componenti costitutivi: un campo di specchi parabolici a forma di C integrati da tubi assorbitori su cui concentrano i raggi solari. Nella grandi centrali questi collettori parabolici lineari sono provvisti di inseguimento monoassiale e sono affiancati su centinaia di file, lunghe da 100 a 150 m.
L’efficienza complessiva di una centrale varia da 14 al 16%.
Negli USA (in California) sono attualmente in esercizio 9 impianti da 14 (1), 30 (6) e 80 MW (2) per una potenza complessivamente installata di 354 MW. Il primo è stato attivato nel 1985.
Centrale a torre solare
Migliaia di specchi ad inseguimento biassiale concentrano i raggi solari dal basso verso la sommità di una torre dove un ricevitore centrale, nelle differenti soluzioni costruttive, assorbe l’energia termica. Il trasporto di quest’ultima verso le turbine avviene mediante aria calda, vapore acqueo, sali fusi o aria compressa. L’altezza delle torri, presenti in una centrale in diverse decine, oscilla dai 50 ai 165 m. Efficienza complessiva di una centrale varia dal 17 al 20%.
Centrale con collettore lineare di tipo Fresnel
Il collettore lineare di Fresnel è costituito da una serie di eliostati lineari posti orizzontalmente in prossimità del suolo che riflettono e concentrano la radiazione solare diretta su un tubo ricevitore posto ad una decina di metri circa da terra. Gli eliostati ruotano sull'asse longitudinale per inseguire il moto del sole e riflettere costantemente la radiazione solare sul tubo ricevitore.
Anziché da un olio diatermico, la funzione di fluido termovettore è svolta generalmente da vapore riscaldato sino a 270°C e 40 bar che aziona direttamente le turbine.
Diversamente dai collettori parabolici, in questo caso è presente un unico ricevitore tubolare fisso.
Efficienza complessiva di una centrale pari al 10% circa. Gli impianti a collettori lineari di Fresnel presentano alcune caratteristiche che li rendono competitivi: permettono un uso ottimale del suolo, 70% contro il 33% delle parabole lineari, e hanno costi di installazione decisamente inferiori a causa del minore impegno di materiali.
La funzione di fluido termovettore è svolta da vapore che aziona direttamente le turbine.
Centrale a collettore parabolico circolare
L’intera unità segue il sole su un sistema biassiale. Il collettore è un pannello riflettente, uno specchio concavo di alcuni metri di diametro, che concentra la radiazione solare su un “ricevitore”montato nel suo punto focale generalmente costituito da un motore Stirling.Sono caratterizzati elevate efficienza (dal 19 al 27% come media annua) e per lo più pensati per generazione di tipo distribuito e non centralizzato come i grandi impianti solari associati a centrali a ciclo combinato.Ogni disco può erogare dai 3 a 25 kW e può riscaldare il ricevitore sino a 750°C.
Il fluido termovettore
Il fluido termovettore che scorre all’interno del ricevitore riscaldandosi ad alta temperatura può essere di diversa natura, la cui scelta dipende ovviamente dalle temperature cui dovrà lavorare: partendo dall’acqua pressurizzata per applicazioni di poco superiori ai 100°C, passando dagli oli minerali o sintetici per usi termici industriali fino a 400°C, si può arrivare a miscele di sali di sodio e potassio utilizzabili anche oltre i 600°C.
Il fluido termovettore è oggetto di intense attività di ricerca per migliorarne le caratteristiche e le prestazioni.
L’impiego di sali fusi pone indubbiamente problemi tecnologici maggiori rispetto all’impiego di oli sintetici; il principale problema è il fatto che queste miscele solidificano ad alta temperatura (da 142
a 238 °C a seconda dei componenti) per cui è necessario mantenerle sempre liquide con opportuni accorgimenti tecnologici.
L’accumulo
Se si esclude il caso particolare dei collettori a disco, appare evidente che con i collettori solari la radiazione solare non è trasformata direttamente in energia elettrica ma viene raccolta sotto forma di energia termica e come tale può essere accumulata in opportuni sistemi di stoccaggio (generalmente serbatoi) per essere poi utilizzata, direttamente sotto forma di energia termica o trasformata in elettricità, anche in momenti successivi a quelli in cui è stata raccolta. Come mezzo per l’accumulo dell’energia termica del sistema sono stati sperimentati acqua, oli diatermici, miscele di sali.
Negli impianti solari termodinamici basati sulla generazione elettrica mediante turboalternatori, sussiste l’esigenza di mantenere stabili le condizioni del ciclo termico, in quanto le variazioni di regime influenzano in modo rilevante il rendimento medio complessivo di generazione.
Tutti gli impianti che negli anni ’80 e ’90 usavano i sali fusi come fluido termico primario erano del tipo a torre centrale e specchi piani, mentre nelle centrali a specchi paraboloidi cilindrici era usato l’olio minerale diatermico, che, avendo una bassa capacità termica, permetteva l’accumulo del calore solo per breve tempo.
La possibilità di modulare l’erogazione dell’energia raccolta, ovvero la dispacciabilità, è una peculiare caratteristica della tecnologia CSP che la contraddistingue e la rende particolarmente vantaggiosa rispetto ad altre energie rinnovabili.
L’accumulo, nel caso del solare termodinamico, consente di prolungare la produzione di energia elettrica dopo il tramonto, quando i carichi elettrici rimangono elevati e può anche essere utilizzato, almeno in teoria, per la copertura del carico elettrico di base, 24 ore su 24.
In Italia per accedere agli incentivi l'impianto solare termodinamico deve essere dotato di un sistema di accumulo termico dell’energia captata !!!
Lo schema degli impianti tipo Andasol prevede un grande storage termico a sali fusi a due serbatoi a livello variabile con una capacità equivalente di 7 ore circa, si tratta del più grande sistema di storage realizzato per il ST ed è nei fatti l’unico utilizzato negli impianti di recente costruzione. Il sistema è posizionato in parallelo al campo solare e lo sostituisce durante le ore di mancanza di sole. Il sistema oltre al generatore di vapore a olio richiede anche uno scambiatore olio - sali fusi. Nel progetto Archimede invece, dove il sale fuso circola direttamente nei collettori, non esiste il circuito a olio ed è presente solo il generatore di vapore a sali fusi.
Centrali ibride
Gli impianti solari termodinamici si suddividono in ibridi e non ibridi.
Negli impianti ibridi l’energia solare viene integrata in un gruppo termoelettrico di produzione convenzionale. Negli impianti non ibridi l’intera energia solare viene destinata al ciclo termodinamico finale di produzione energia.
