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La ricerca dell’ENEA sul solare a concentrazione (CSP)
In vista di prossimi sviluppi applicativi della tecnologia CSP la ricerca italiana gioca un ruolo
di primo piano
Francesco Di Mario e Alfredo Fontanella – ENEA, Unità Tecnica Fonti Rinnovabili
Introduzione
Nel 2001 l’ENEA ha intrapreso un ampio programma di ricerca e sviluppo sulla tecnologia solare a
concentrazione (CSP), finalizzato allo sviluppo di una filiera tecnologica originale da utilizzare per
la produzione di energia elettrica, ma anche come opportunità per le aziende italiane di esportare
tecnologie competitive e attività realizzativa in vista di utilizzazioni massicce della tecnologia
solare a concentrazione nelle aree desertiche del Nord Africa e del Medio Oriente.
Nel 2010 è stato completato l’impianto dimostrativo su scala industriale “Archimede” presso la
centrale termoelettrica ENEL di Priolo Gargallo. Alla fine del 2011 è iniziata la progettazione
dell’impianto “MATS” da costruire in Egitto su finanziamento dell’Unione Europea. Sono tre tappe
fondamentali di un unico grande progetto di sviluppo che ha richiesto e richiede ancora il
superamento di molte sfide scientifiche, tecnologiche e organizzative, ma comporta notevoli
ricadute economiche, in particolare la nascita dell’industria italiana del solare a concentrazione e la
sua proiezione a livello internazionale.
Cenni sulla tecnologia solare a concentrazione e linee di sviluppo
La tecnologia solare a concentrazione si affianca a quella fotovoltaica e al solare termico
nell’utilizzazione dell’energia solare. Rispetto al solare termico riguarda le applicazioni in cui sono
richieste temperature maggiori (oltre 150 °C) e soprattutto nella produzione di energia elettrica con
cicli termodinamici. Rispetto al fotovoltaico, gli impianti solari a concentrazione presentano una
maggiore complessità, che li rende poco adatti per applicazioni di tipo diffuso, ma consentono di
superare il grosso limite dell’energia solare, cioè la sua aleatorietà, grazie alla possibilità di
accumulo.
Tra le diverse tipologie di impianti solari a concentrazione quelli a collettori parabolici lineari
hanno raggiunto il maggiore livello di sviluppo, anche se presentano ancora ampie possibilità di
miglioramento per aumentarne l’efficienza e ridurne i costi. Le attività di ricerca e sviluppo puntano
soprattutto al miglioramento delle prestazioni e all’ottimizzazione dei processi di fabbricazione dei
componenti fondamentali: la struttura del collettore, il ricevitore, i rivestimenti selettivi delle
superfici riceventi e i pannelli riflettenti.
Programma di ricerca ENEA e innovazioni tecnologiche
L’Italia vanta una lunga tradizione di ricerca nel campo della tecnologia solare a concentrazione:
già dal 1960 il prof. G. Francia conduceva studi e sperimentazioni di rilevanza internazionale e nel
1980 un consorzio di aziende italiane, tedesche e francesi costruì l’impianto sperimentale Eurelios,
in Sicilia, per acquisire esperienza progettuale e operativa su questa nuova tecnologia.
Nel 2001 l’ENEA, su impulso del prof. Rubbia, lanciò un ampio programma di ricerche finalizzato
allo sviluppo di impianti solari di nuova generazione e alla loro dimostrazione su scala industriale.
Nell’ambito di queste ricerche l’ENEA ha completamente rivisitato la tecnologia dei collettori
parabolici lineari attraverso numerose innovazioni che superano i limiti della tecnologia CSP di
prima generazione, legati soprattutto all’utilizzazione di olio termico come fluido termovettore, che
limita a 400°C la temperatura operativa, penalizzando l’efficienza e ostacolando l’integrazione con
le centrali termoelettriche convenzionali, oltre ad essere costoso, infiammabile e inquinante in caso
di perdite.
L’ENEA ha sviluppato un nuovo sistema schematizzato in fig. 1, basato sull’utilizzo di una miscela
di sali fusi (60% nitrato di sodio e 40% nitrato di potassio) che può operare fino a circa 600°C, non
infiammabile, né inquinante, che però solidifica al di sotto di 230°C e quindi richiede soluzioni
progettuali e operative del tutto innovative.
Per l’ottimizzazione dei componenti chiave dell’impianto, in particolare i concentratori e i tubi
ricevitori, l’ENEA ha applicato le più avanzate tecniche di calcolo e tecnologie dei materiali,
ottenendo elevata precisione geometrica, semplificazione delle operazioni di montaggio, efficienza
operativa e affidabilità.
Un aspetto particolarmente innovativo riguarda il rivestimento selettivo dei tubi ricevitori, che ha
richiesto un notevole impegno per l’individuazione delle composizioni ottimali e per lo sviluppo del
processo industriale di fabbricazione.
Queste innovazioni sono state testate in condizioni reali di funzionamento mediante speciali
apparati sperimentali al Centro ricerche della Casaccia (v. Fig. 2) e successivamente utilizzate per
impianti dimostrativi, realizzati in collaborazione con aziende nazionali, da cui si attendono i
risultati dal punto di vista dell’utilizzazione industriale di questa tecnologia.
L’impegno ENEA nel settore prosegue, sia attraverso attività di ricerca e sperimentazione
finalizzate a migliorare le prestazioni e ridurre i costi dei componenti, sia attraverso lo sviluppo di
impianti di piccola-media taglia, integrati con altre fonti rinnovabili (biomasse) e adatti per
produzione combinata di energia elettrica, calore industriale, climatizzazione e acqua dissalata
(filiera “Trebios”).
Ricadute industriali
L’ENEA rappresenta attualmente un riferimento scientifico internazionale nel campo della
tecnologia solare a concentrazione. In seguito alle sue attività di ricerca e sviluppo in Italia è nata
l’industria nazionale del CSP: una serie di aziende animate da forte spirito innovativo che hanno
indirizzato le proprie produzioni e il proprio campo di attività verso la fabbricazione di componenti
speciali per sistemi CSP e la progettazione e costruzione di impianti, con significativi investimenti
in termini economici e di impegno. Tra queste aziende, le più note sono:
- Archimede Solar Energy del gruppo Angelantoni Industrie, specializzata nella produzione su
licenza ENEA di tubi ricevitori di tipo innovativo e che ha realizzato di recente un nuovo
impianto in grado di produrre in prospettiva fino a 140.000 tubi/anno (v. Fig. 3);
- Ronda, Reflex e D&D che hanno sviluppato in collaborazione con l’ENEA e commercializzano
i componenti del collettore solare;
- il consorzio FREeSuN, costituito da industrie (Fera, Dna engineering, IMAT, Sdi automazione,
Turbocoating, Xeliox, Almeco), CNR e Università per sviluppare la tecnologia CSP con
collettori lineari a lente di a Fresnel e impianti solari a basso costo di realizzazione;
- aziende elettriche e società di ingegneria (Enel Green Power, Enel Ingegneria e Ricerca, KT
Technimont, Techint ecc.), impegnate nella realizzazione ed esercizio di impianti di diverse
taglie.
Nel 2009 si è costituita l’Associazione Nazionale Energia Solare Termodinamica (ANEST) per
iniziativa dei principali operatori italiani per sostenere lo sviluppo delle tecnologie CSP in Italia,
attraverso la costruzione di impianti e lo sviluppo di una filiera italiana in grado di competere a
livello internazionale per la costruzione di impianti in Nord Africa e nel Medio Oriente.
Il settore delle tecnologie CSP appare quindi in controtendenza rispetto al panorama generale,
caratterizzato da aziende che puntano a superare la crisi riducendo i costi, con operazioni di
esternalizzazione e delocalizzazione, provocando un progressivo impoverimento del sistema
produttivo e l’uscita dell’industria nazionale da settori importanti.
L’impianto Archimede
L’impianto solare Archimede, costruito dall’ENEL con il supporto ENEA, ha lo scopo di
dimostrare la validità nell’utilizzazione industriale delle innovazioni sviluppate dall’ENEA nella
tecnologia solare termodinamica. L’impianto è integrato con la centrale termoelettrica di Priolo
Gargallo, presso Siracusa, con cui ha in comune la turbina a vapore e il ciclo termico, ha potenza
elettrica di 5 MW e capacità di accumulo termico pari a 6,5 ore.
L’impianto Archimede è stato completato nel luglio 2010, è attualmente gestito dall’ENEL che cura
direttamente la diffusione dei risultati ottenuti.
A partire da tali risultati, Enel Green Power ha avviato agli inizi del 2012 un nuovo progetto per la
realizzazione, sempre in Sicilia, di un impianto da 30 MW; l’iniziativa, condotta con il parziale
supporto della UE, coinvolge anche ENEA ed altri partner europei.
Il progetto MATS
Nel luglio 2011 l’ENEA ha dato inizio al progetto MATS (Multipurpose Applications by
Thermodynamic Solar), condotto nell’ambito dei programmi europei e finalizzato alla costruzione
in Egitto di un impianto solare a concentrazione basato su diverse innovazioni sviluppate
dall’ENEA con il concetto Trebios: modularità del campo solare, accumulo termico con serbatoio
unico, integrazione del generatore di vapore con il serbatoio di accumulo, produzione congiunta di
energia termica, climatizzazione e acqua dissalata (v. Fig. 5).
L’impianto verrà costruito presso il campus dell’Università di Borg-el-Arab, vicino Alessandria, e
produrrà energia elettrica per la potenza nominale di 1 MW e potenza termica per 4 MW, che verrà
utilizzata per la climatizzazione degli edifici universitari e per la produzione di 250 m 3 al giorno di
acqua dissalata.
Il progetto è coordinato dall’ENEA con la partecipazione di altre organizzazioni di ricerca: CEA
(Francia), ISE and Fraunhofer (Germania), ASRT e NREA (Egitto), Università di Cranfield (Gran
Bretagna) e aziende industriali: Tecnimont KT, Ronda Group e Archimede Solar Energy (Italia),
Orascom Construction Industries e Delft Environment (Egitto).
Attualmente sono in corso attività di progettazione e prove sperimentali sui componenti innovativi,
tra cui le prove del nuovo collettore solare al Centro ENEA della Casaccia.
Fig. 1 – Schema innovativo di impianto solare termodinamico (ENEA)
Fig. 2 - Test Facility (ENEA)
Fig. 3 – Nuovo tubo ricevitore (ENEA) e stabilimento di produzione (Archimede Solar Energy)
Fig. 4 - Impianto solare Archimede (ENEL)
Fig. 5 – Schema di principio dell’impianto MATS