Centrali Termoelettriche Solari

Centrali Termoelettriche solari, come funzionano,  quanto inquinano.

Nelle regioni che godono di elevati apporti solari, le centrali solari termiche sono una soluzione che consente la produzione d’energia elettrica in maniera ecologica e senza alterare il clima. Teoricamente solo l’uno percento del Sahara sarebbe sufficiente per coprire l’intera domanda elettrica mondiale. La produzione d’elettricità con la tecnologia del solare termico fonda su un semplice principio: La radiazione elettromagnetica del sole viene concentrata per mezzo di specchi e trasformata in energia termica.

Le alte temperature ottenute consentono l’uso delle convenzionali turbine a vapore o a gas o di un motore Stirling.

Allo stato attuale, la tecnologia più economica per trasformare la radiazione solare in energia elettrica è quella dei collettori parabolici, cosé come quelli costruiti, a partire dagli anni ottanta, negli Stati Uniti. Le nove centrali nel deserto Mohave (California), che hanno una potenza complessiva di 354 MW, producono annualmente circa 800 MWh d’energia elettrica. Alcune centrali di questo tipo, attualmente in progettazione, dovrebbero sorgere in Spagna.

Centrali solari termiche a torre possono anche essere integrate in centrali termoelettriche esistenti dove contribuirebbero a ridurre i costi di produzione. Questo sistema consente l’introduzione graduale della tecnologia nella produzione elettrica e gradualmente sostituire i combustibili fossili.

Collettori parabolici

La tecnologia dei collettori parabolici è oggi la più economica per convertire l’energia solare in energia elettrica, perché può essere facilmente integrata nelle convenzionali centrali termoelettriche. Nelle centrali termoelettriche la corrente elettrica è prodotta da alternatori azionati da turbine a vapore o a gas. Il vapore si ottiene normalmente bruciando gas naturale, petrolio o carbone, ma le alte temperature che occorrono per produrre vapore ad alta pressione possono essere raggiunte anche tramite specchi parabolici che concentrano la radiazione solare. Nel fuoco degli specchi l’intensità della radiazione è maggiore quasi 80 volte quella normale. Nel fuoco si trova un tubo (assorbitore o receiver) in cui circola un fluido (olio sintetico o una fusione salina) che si riscalda fino a quasi 400 °C. Uno scambiatore trasferisce poi il calore all’acqua che si trasforma in vapore ad alta temperatura, il quale mette in azione la turbina.

Gli specchi parabolici devono avere una geometria precisa ed essere robusti per poter resistere anche a forti venti. Ogni singolo specchio possiede una guida automatica che lo orienta sempre verso il sole. I riflettori, costruiti normalmente con uno speciale vetro, riflettono bene lo spettro solare e sono resistenti ai graffi. I tubi assorbenti hanno una superficie selettiva e sono alloggiati in un tubo di vetro sotto vuoto che li protegge e rende minime le perdite di calore per trasmissione.

Le uniche centrali solari a specchi parabolici (Solar Electric Generatine Systems = SEGS) che producono corrente elettrica a scopi commerciali, sono quelle nove in California, realizzate tra il 1985 e il 1991. Nei 15 anni d’esercizio, questi impianti si sono rivelati molto resistenti ed efficienti; la disponibilità dei loro sistemi tecnologici, negli ultimi anni, è stata sempre superiore al 98%.

Schema Cenrtali Termoelettriche

Schema di una centrale a specchi parabolici (Fonte: DLR, elaborazione grafica: MiniWatt.it)

Lo sviluppo di una tecnologia completamente europea è cominciato solo negli anni Novanta. Il collettore Euro Trough è stato sviluppato dalle industrie Abengoa, Flabeg Solar e Schlaich, Bergermann & Partner in collaborazione con il Centro aeronautico e spaziale tedesco (DRL) ed è stato collaudato nel Centro di ricerca Plataforma Solar de Almeria. Nell’ambito del progetto SKAL-ET è stata costruita in California una linea lunga 800 metri di questi collettori che attualmente sono sottoposti prove per ottenere dati sulla loro efficienza e sulle possibilità di un ulteriore miglioramento. Oggi, la ricerca in questo campo si concentra sullo sviluppo di un receiver parabolico, lo sviluppo di un accumulatore termico costruito con uno speciale cemento che resista alle alte temperature, la progettazione dell’impianto dimostrativo AndaSol e studi che riguardano i cosiddetti collettori Fresnel.

Centrali solari a torre

In queste centrali la radiazione solare è concentrata da specchi, i cosiddetti eliostati, su una caldaia (receiver) posta su una torre. L’energia che colpisce la caldaia supera alcune centinaia di volte la normale radiazione solare e riscalda il fluido nella caldaia fino a 1100 °C. Dall’inizio degli anni Ottanta ad oggi sono 10 le centrali di questo tipo costruite a scopi sperimentali. Gli impianti si distinguono per il mezzo che trasporta il calore: oltre al vapore prodotto direttamente e fusioni saline viene sperimentato anche il trasporto con l’aria.

Il trasporto del calore tramite il vapore si è rivelato insoddisfacente perché comporta difficoltà tecniche e nell’accumulo si verificano notevoli perdite termodinamiche. Anche il sale, che possiede buone caratteristiche conduttive, ha degli svantaggi: tutte le tubature devono essere riscaldabili elettricamente per evitare che il sale congeli. L’aria, nonostante la sua cattiva capacità termica, ha il vantaggio di non creare problemi tecnici, è innocua ed illimitatamente disponibile. L’insufficiente trasmittanza termica dell’aria puň essere compensata con l’uso di un cosiddetto receiver volumetrico che ha un’elevata superficie interna. L’aria riscaldata fino ad una temperatura di 1100 °C puň essere direttamente utilizzata per far girare delle turbine a gas.

Schema di una centrale a torre – Integrazione in una centrale elettrotermica (Fonte: DLR, elaborazione grafica: MiniWatt.it)

Sistema Dish-Stirling

In siti isolati, lontani da linee elettriche, il sistema Dish-Stirling offre un’alternativa alla produzione convenzionale di energia elettrica tramite un motore diesel. La potenza degli impianti Dish-Stirling è tipicamente compresa tra 5 e 50 kW; potenze più elevate si possono ottenere con la combinazione di una serie di questi impianti.

Lo specchio riflettente è in questo caso una calotta parabolica orientata verso il sole da una guida automatica. Nel fuoco dello specchio si trova il receiver e l’unità Stirling. Il receiver assorbe l’irradiazione e la conferisce come calore ad alta temperatura al motore Stirling che è combinato con un alternatore.

Gli impianti Dish-Stirling vengono sviluppati sin dagli anni Ottanta negli Stati Uniti e in Germania. Negli Stati Uniti sono tre i consorzi che si occupano dell’introduzione della tecnologia nel marcato. In Germania è la Schlaich, Bergermann & Partner che sviluppa, assieme ad altre sei società tedesche e spagnole, e con contributi finanziari dell’Unione Europea, un sistema chiamato “Euro-Dish”. L’obiettivo è la riduzione dei costi degli impianti. Una possibilità in questo senso la offre, per esempio, l’alleggerimento della costruzione del riflettore parabolico (concentratore). Il nuovo concentratore, con un diametro di 8,5 metri, è adesso una membrana sandwich di vetroresina.

Allo scopo di aumentarne il rendimento, la superficie di Euro-Dish è del 25 % maggiore di quella necessaria per raggiungere la potenza nominale del motore Stirling. In caso di apporti solari massimi si perde del calore, ma in caso di apporti medi, il motore Stirling funziona con un alto rendimento. In siti dove si hanno apporti massimi solo per poche ore, la produzione media annuale d’energia aumenta di circa il 30%.

Sin dal dicembre del 2000, ad Almeréa si stanno sperimentando due prototipi. Le esperienze dovrebbero dare delle indicazioni per ridurre ulteriormente i costi e per iniziare la produzione in miniserie. In Italia e in India sono in costruzione degli impianti sperimentali per studiare il montaggio, l’esercizio e la manutenzione nelle reali condizioni di questi paesi.

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