Workshop Regionale
«IMPIANTI A CONCENTRAZIONE SOLARE POLIGENERATIVI
una risposta integrata al fabbisogno energetico
delle comunità mediterranee»
Solare termodinamico per la produzione di energia
Alberto Giaconia - ENEA
Palermo, 6 Novembre 2013
STS-Med Workshop Regionale Palermo, 6 Novembre 2013
Small scale thermal solar district units for Mediterranean communities
«Il Solare Termodinamico»
A differenza del solare termico, nel solare termodinamico di calore è prodotto a temperature sufficientemente elevate (> 200°C) per alimentare cicli termoelettrici ad elevata efficienza (es. Rankine)
Impianti CSP (= Concentrating Solar Power)
temperature medie (200-300°C), alte (300-600°C) e altissime (> 600°C)
potenza piccola (< 1 MW), media (1-30 MW), grande (> 50 MW)
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«Il Solare Termodinamico»
impianti CSP di grossa taglia > 30 MW
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«Il Solare Termodinamico»
impianti CSP di media taglia 1-30 MW (utilizzano componentistica modulare analoga a quella dei grossi impianti)
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«Il Solare Termodinamico»
impianti CSP di piccola taglia < 1 MW
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STS-Med Workshop Regionale Palermo, 6 Novembre 2013
Stoccaggio termico nel CSP Lo stoccaggio termico rappresenta il maggiore fattore concorrenziale del CSP:
stabilizzazione della rete elettrica in compatibilità con le centrali di potenza «tradizionali»
disaccoppiamento domanda/disponibilità di energia
aumento della produttività annua
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Stoccaggio termico nel CSP Lo stoccaggio termico rappresenta il maggiore fattore concorrenziale del CSP:
stabilizzazione della rete elettrica in compatibilità con le centrali di potenza «tradizionali»
disaccoppiamento domanda/disponibilità di energia
aumento della produttività annua
0
250
500
750
1000
6.22 8.02 9.42 11.22 13.02 14.42 16.22 18.02
ORA RILIEVO / (hh.mm)
PO
TE
NZ
A /
(k
W)
0
1250
2500
3750
5000
EN
ER
GIA
/ (
kW
h)
Potenza incidente
Potenza raccolta
Energia cumulativa incidente
Energia cumulativa raccolta
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Stoccaggio termico nel CSP Lo stoccaggio termico rappresenta il maggiore fattore concorrenziale del CSP:
stabilizzazione della rete elettrica in compatibilità con le centrali di potenza «tradizionali»
disaccoppiamento domanda/disponibilità di energia
aumento della produttività annua
power block
Pel.
collettori ricevitore
stoccaggio
termico
Qv
Qg = calore accumulato nel
periodo g
g
Qv
Pel/term-el
t1
t2 t3
t4
t5 n
Qn = calore utilizzato nel
periodo n
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Stoccaggio termico nel CSP
Ritorno Energetico Netto (NER): stime del NER (Shinnar R., AIChE 2007) per alcuni processi di conversione dell’energia solare:
sistema di generazione NER
impianti solari termodinamici senza accumulo in zone desertiche* 3.3
impianti solari termodinamici con accumulo termico in zone desertiche* 6 – 7.4
piccoli impianti fotovoltaici per usi domestici (6,000 €/kWp) in California 1.5
grossi impianti fotovoltaici (2,000 €/kWp) in zone desertiche* 4.4
* 2,500 kWh/anno/m2 di insolazione media
Ibridizzazione in un sito Italia-sud (10-20% su base annua)
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0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dec
SOLAR BIOMASS
Impianti CSP «ibridi» Utilizzo di un combustibile di back up
Ibridizzazione in un sito Italia-centro (ca. 40% su base annua)
Dimensionamento impianti ibridi
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Impianti CSP «ibridi» Utilizzo di un combustibile di back up
2.5 km2
2.0 km2
1.5 km2
0
10
20
30
40
50
0 4 8 12 16 20
thermal storage capacity, T (GWh)%
bio
ma
ss
ba
ck-u
p *
, B
3.0 km2
R
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Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA
Cooperazione pubblico-privato.
Dalla R&S sui singoli componenti, allo sviluppo pre-competitivo e nascita di nuove filiere produttive sul territorio…
Ind
ustrial ro
le
Industrial
Demonstration
plant
Test facility
PCS
Prototype DesignLab
R&D
Components test and qualification
Prototype Operation start-up
Project Start-up
Demo designand construction
2006
2007
2008
2009
2005
2004
2010
2002
2001
2003
ENEL Archimede 5 MWe
Go
vern
me
nt ro
le
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Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA Schema della tecnologia ENEA a doppio serbatoio
Tubo ricevitore
Collettore solare
Accumulo termico
Fluido termovettore
Tubo ricevitoreTubo ricevitore
Collettore solareCollettore solare
Accumulo termicoAccumulo termico
Fluido termovettoreFluido termovettore
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Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA Schema della tecnologia ENEA a doppio serbatoio: impianto Archimede
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Il Progetto Solare Termodinamico all’ENEA L’impianto Archimede a Priolo
Potenzialità del CSP nell’area MED
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Dove realizzare gli impianti solari termodinamici:
Mappa della radiazione solare diretta nell’area Mediterranea (fonte MED-CSP DLR - in giallo le zone con maggiore irraggiamento diretto)
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Circa il 50% del territorio regionale presenta un irraggiamento solare annuale > 1600 kWh/mq, valore che rende vantaggiosa l’applicazione del CSP.
E’ teoricamente possibile soddisfare la domanda totale di energia elettrica regionale (2139,7 KTEP) con una superficie equivalente a un quadrato di lato 13 km.
Potenzialità del CSP nell’area MED Dove realizzare gli impianti solari termodinamici:
Il caso della Sicilia.
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La presenza di una fitta rete di metanodotti (prevalente mente importazione da Algeria e Libia) rende vantaggiosa l’ibridizzazione degli impianti CSP.
Alternativamente l’ibridizzazione può realizzarsi con biomassa residuale o CDR.
Potenzialità del CSP nell’area MED Dove realizzare gli impianti solari termodinamici:
Il caso della Sicilia.
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Non tutte le aree con elevato grado di insolazione sono effettivamente disponibili alla installazione di impianti CSP di grossa taglia: occorre infatti che il terreno sia “libero” da altri usi (abitazioni, strade, industrie, agricoltura, ecc.), che l’impatto ambientale sul territorio sia limitato, e che le caratteristiche orografiche siano idonee, …
Potenzialità del CSP nell’area MED Dove realizzare gli impianti solari termodinamici:
Il caso della Sicilia.
Impianti CSP poligenerativi su piccola-media scala
STS-Med Workshop Regionale Palermo, 6 Novembre 2013
Le condizioni locali in molte regioni del sud Italia rendono favorevole l’applicazione estensiva del CSP su piccola-media taglia (< 1 MW) per una generazione distribuita
Diminuendo la scala di impianto diventa sempre più significativo il costo dei sistemi
ausiliari (es. gruppo di potenza, BoP, ecc.)
Distribuzione dei costi di impianto per un impianto a collettori parabolici lineari da 100 MWel con accumulo termico
In impianti medio-piccoli l’incidenza degli ausiliari rispetto al campo solare diviene più significativa (> 70%)
(fonte: Sargent & Lundy LLC Consulting Group. NREL Subcontractor Report, NREL/SR-550-34440, October 2003).
Impianti CSP poligenerativi su piccola-media scala
STS-Med Workshop Regionale Palermo, 6 Novembre 2013
Le condizioni locali in molte regioni del sud Italia rendono favorevole l’applicazione estensiva del CSP su piccola-media taglia (< 1 MW) per una generazione distribuita
Diminuendo la scala di impianto diventa sempre più significativo il costo dei sistemi
ausiliari (es. gruppo di potenza: turbina)
Diventa conveniente trovare applicazioni più puramente termiche come dissalazione e produzione di combustibili, possibilmente in cogenerazione
Impianti CSP poligenerativi su piccola-media scala
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Schema generale di un impianto CSP poligenerativo
I 3 gradi di flessibilità di funzionamento:
1) Fonte energetica primaria, in base alle disponibilità locali (ibridizzazione)
2) Dispacciamento energia (stoccaggio termico + ibridizzazione)
3) Prodotti/servizi da fornire in base alla domanda locale (poligenerazione)
Impianti CSP poligenerativi su piccola-media scala
STS-Med Workshop Regionale Palermo, 6 Novembre 2013
Schema generale di un impianto CSP poligenerativo
Il back up al livello del fluido termovettore permette un funzionamento degli utilizzatori indipendente dalle condizioni meteo e variazioni stagionali.
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Impianti CSP poligenerativi su media scala (1-10 MW)
Schema di un impianto CSP poligenerativo su scala 1-10 MW
(n.b.: il caso di impianti di piccola taglia è concettualmente analogo, cambia la tecnologia)
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Hourly pick 1 409 W/m2 Solar Rate
Yearly total 2 308 kWh/m2
Unit Length 100 m
Unit Area 540 m2
Optical Efficiency 75 % Solar Collectors
Thermal Efficiency 83 %
No Collectors 18
Total Collector Length 1800 m
Total Collector Area 9 720 m2 Solar Field
Site Area 22 000 m2
Electric Energy 3 010 MWh Annual Production
Thermal Energy 8 900 MWh
Electric Power 1,0 MW el
Outlet Thermal Power 4,0 MW th
Inlet Thermal Power 5,7 MW th
Type MED Desalting Unit
Capacity 250 m3 per day
Impianti CSP poligenerativi su media scala (1-10 MW)
Esempio di impianto CSP poligenerativo da 1 MWel + 4 MWt
Il campo solare occupa una superficie totale di 115 m x 65 m x 3 moduli = ca. 2 ettari
Conclusioni
Regioni del sud Italia (come la Sicilia) sono particolarmente adatte alla generazione solare distribuita da CSP di piccola-media taglia
Tale opportunità consente di:
aumentare l’intensità di produzione de fonti rinnovabili senza interferire con la rete di distribuzione elettrica
avviare nuove filiere produttive sui componenti di impianto (collettori, sistemi di stoccaggio, piping, ecc.)
Impianti CSP poligenerativi «ibridi» con stoccaggio termico:
presentano una elevata flessibilità per adattarsi alle risorse localmente disponibili e alle esigenze degli utilizzatori finali: singoli edifici, intere zone residenziali o industrie
Possono accedere alle tariffe incentivanti
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Attuali linee di sviluppo del solare termodinamico
Nuovi impianti di grossa taglia (generalmente a torre centrale, ma anche trough è possibile) con stoccaggio a sali fusi fino 565°C (USA e Spagna)
Impianti a torre centrale di grossa taglia con ricevitore ad aria (> 700°C) e cicli combinati ibridi
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Attuali linee di sviluppo del solare termodinamico
Sistemi multi-tower modulari
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Attuali linee di sviluppo del solare termodinamico
Applicazioni termiche alla dissalazione e produzione di «solar fuels» (generalmente idrogeno o conversione di CO2 in combustibili sintetici)
Impianti CSP modulari di piccola-media taglia (~ 1 MW)
Sistemi di stoccaggio termico più compatti: serbatoio unico con stratificazione termica
Stoccaggio con sistemi a cambiamento di fase (PCM) o cemento
Applicazione di ORC (anche cogenerativi) per piccole-medie taglie
Collettori Fresnel (generalmente con generazione diretta di vapore)
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